Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
JVM (Java Virtual Machine)
Java Virtual Machine — виртуальная машина Java — основная часть исполняющей системы Java, так называемой Java Runtime Environment (JRE). Виртуальная машина Java исполняет байт-код Java, предварительно созданный из исходного текста Java-программы компилятором Java (javac). JVM может также использоваться для выполнения программ, написанных на других языках программирования. Например, исходный код на языке Ada может быть откомпилирован в байт-код Java, который затем может выполниться с помощью JVM.
JVM является ключевым компонентом платформы Java. Так как виртуальные машины Java доступны для многих аппаратных и программных платформ, Java может рассматриваться и как связующее программное обеспечение, и как самостоятельная платформа. Использование одного байт-кода для многих платформ позволяет описать Java как «скомпилировано однажды, запускается везде» (compile once, run anywhere).
Виртуальные машины Java обычно содержат Интерпретатор байт-кода, однако, для повышения производительности во многих машинах также применяется JIT-компиляция часто исполняемых фрагментов байт-кода в машинный код. [1]
Содержание
Спецификация JVM
В 1996-м году компания Sun выпустила первую версию документа «Голубая книга JVM», в котором описана спецификация виртуальной машины Java, ставшего де-факто отраслевым стандартом платформы Java. Благодаря этому документу появились альтернативные реализации JVM, являющиеся «разработками с чистого листа» (англ. clean room design). В качестве примера можно привести Kaffe.
Начиная с версии J2SE 5.0 изменения в спецификации JVM вырабатываются в соответствии с формализованными пожеланиями заинтересованных сторон. Процесс внесения изменений в спецификации JVM называется Java Community Process.
JVM, доступная в исходных текстах на Си от фирмы Sun, называется KVM (Kilo Virtual Machine) и доступна на их сайте.
Конфликты
Конкуренция между Sun и Microsoft
В начале развития платформы «Java», существовали две конкурирующие реализации Java VM:
Однако «Microsoft Java VM» не была полностью совместима со спецификацией, описанной Sun в «голубой книге JVM», и имела существенные проблемы с производительностью при работе под большими нагрузками (при большом числе одновременно выполняемых потоков) и с безопасностью.
Компания «Sun» посчитала такую ситуацию недопустимой и решила, что Microsoft занимается намеренной дискредитацией и профанацией платформы «Java» путём распространения своей версии виртуальной машины Java, обладающей вышеперечисленными недостатками. На этом основании, Sun неоднократно подавала в суд на Microsoft — и Microsoft была лишена следующих прав на реализацию:
Некоторые обозреватели компьютерных изданий полагают, что жёсткая позиция, занятая Sun по вопросу Java, могла послужить дополнительным стимулом для разработки компанией «Microsoft» собственного Windows-решения: «.NET Framework». [2]
Разногласия между Sun и IBM
В 2001 году, с целью разработки стандарта кросс-платформенных Desktop-приложений, IBM стартовала открытый проект: «Eclipse».
Фреймворк «Eclipse» был основан на предыдущей закрытой разработке: IBM «VisualAge». IBM удалось сбалансировать интересы свободного сообщества и интересы бизнеса (свои интересы) в лицензии «Eclipse Public License», признанной организацией «Free Software Foundation».
Проект успешно развивается, используется в индустрии, в значительной степени отделился от IBM в самостоятельный (см. «Eclipse Foundation»).
Sun остаётся в оппозиции к Eclipse Foundation, так же, как и к Microsoft. Формально основной причиной противоречий остаётся библиотека «Standard Widget Toolkit» (SWT), которая противоречит Sun-концепции виртуальной машины и переносимости Java-приложений.
Среда исполнения
Программы, предназначенные для запуска на JVM, должны быть скомпилированы в стандартизированном переносимом двоичном формате, который обычно представляется в виде файлов «.class». Программа может состоять из множества классов, размещённых в различных файлах. Для облегчения размещения больших программ, часть файлов вида «.class» может быть упакована вместе в так называемом «.jar»-файле (сокращение от «Java Archive»).
Виртуальная машина JVM исполняет файлы «.class» и «.jar», эмулируя данные в них инструкции следующими путями:
В наши дни, JIT-компиляция используется в большинстве JVM для достижения большей скорости. Существуют также ahead-of-time компиляторы, позволяющие разработчикам приложений перекомпилировать файлы классов в родной для конкретной платформы код.
Как и большинство виртуальных машин, Java Virtual Machine имеет stack-ориентированную архитектуру, свойственную микроконтроллерам и микропроцессорам.
JVM — экземпляр JRE (Java Runtime Environment), вступающий в действие при исполнении программ Java; по завершении исполнения, этот экземпляр удаляется сборщиком мусора. JIT — та часть виртуальной машины Java, которая используется для ускорения выполнения приложений; JIT одновременно компилирует те части байт-кода, функциональность которых аналогична, — что сокращает время, необходимое для проведения компиляции. [3]
Загрузка и установка виртуальной машины Java
Для программирования на Java можно подобрать себе IDE, хорошим выбором будет NetBeans или Eclipse.
Для начала проверим, установлена ли Java платформа на вашем компьютере. Для этого запустите удобным для вас способом утилиту для работы с командной строкой. Например, перейдите в меню «Пуск» пункт «Выполнить», в появившемся окошке введите команду «cmd» без кавычек и нажмите «ОК».
Если на компьютере уже установлена исполняемая среда Java, вывод будет примерно таким:
java version «1.6.0_18»
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_18-b07)
Java HotSpot(TM) Client VM (build 16.0-b13, mixed mode)
Если вывод будет сообщать об ошибке или неизвестной команде, вам безусловно необходима установка виртуальной машины. Также рекомендуется обновить установку, если версия Java на вашем компьютере ниже чем 1.6.
Есть два продукта для загрузки:
Java Blog
Как работает JVM
Java-приложения называются WORA (Write Once Run Anywhere, Пиши однажды запускай везде). Это означает, что программист может разрабатывать код Java в одной системе и ожидать, что он будет работать в любой другой системе с поддержкой Java без каких-либо настроек. Это все возможно благодаря JVM.
Подсистема загрузчика классов (Class Loader Subsystem)
В основном подсистема загрузчика классов отвечает за три вида деятельности.
Связывание (Linking): выполняет проверку, подготовку и (необязательно) разрешение.
Инициализация (Initialization): на этом этапе всем статическим переменным присваиваются их значения, определенные в коде и статическом блоке (если есть). Это выполняется сверху вниз в классе и от родителя к потомку в иерархии классов.
В общем, есть три загрузчика классов:
Примечание: JVM следует принципу делегирования-иерархии для загрузки классов. Загрузчик классов системы делегирует запрос на загрузку в загрузчик классов расширения и загрузчик классов расширения делегирует запрос в загрузчик класса начальной загрузки. Если класс найден в пути начальной загрузки, класс загружается, в противном случае запрос снова передается загрузчику классов расширения, а затем загрузчику классов системы. Наконец, если загрузчик классов системы не может загрузить класс, мы получаем исключение java.lang.ClassNotFoundException во время выполнения.
Память JVM
Область метода: в области метода хранится вся информация уровня класса, такая как имя класса, имя непосредственного родительского класса, информация о методах и переменных и т. д., включая статические переменные. В JVM есть только одна область методов, и это общий ресурс.
Область кучи (heap): информация обо всех объектах хранится в области кучи. Существует также одна область кучи на JVM. Это также общий ресурс.
Область стека: для каждого потока (thread) JVM создает один стек времени исполнения, который хранится здесь. Каждый блок этого стека называется активационной записью/кадром стека, в котором хранятся вызовы методов. Все локальные переменные этого метода хранятся в соответствующем кадре. После завершения потока стек его выполнения будет уничтожен JVM. Это не общий ресурс.
Регистры компьютера: хранить адрес текущей инструкции исполнения потока. Очевидно, что каждый поток имеет отдельные регистры компьютера.
Стеки нативного метода: для каждого потока создается отдельный нативный стек. Он хранит информацию о нативных методах.
Среда исполнения
Нативный интерфейс Java (JNI)
Это интерфейс, который взаимодействует с библиотеками нативных методов и предоставляет нативные библиотеки (C, C++), необходимые для выполнения. Это позволяет JVM вызывать библиотеки C/C++ и вызываться библиотеками C/C++, которые могут быть специфичными для аппаратного обеспечения.
Библиотеки нативных методов
Это коллекция нативных библиотек (C, C++), которые требуются для механизма исполнения.
Что такое JVM? Знакомство с виртуальной машиной Java
Java virtual machine (JVM) — это программа, которая разработана для выполнения и запуска других программ на основе Java. В основе JVM лежит простая и гениальная идея, которая всегда останется одним из величайших примеров программирования в стиле кунг-фу. JVM может также использоваться для выполнения программ, написанных на других языках программирования. Подробно рассказываем, как работает JVM, для чего используется эта технология и почему она является одним из главных компонентов в платформе Java. Материал основан на статье Java-разработчика Matthew Tyson «What is the JVM? Introducing the Java Virtual Machine».
Для чего используется Java virtual machine
JVM имеет две основные функции:
Во время выхода первой версии Java в 1995 году все программы писались для конкретной операционной системы, а памятью управлял разработчик программного обеспечения. Поэтому появление JVM стало революцией на рынке.
Существует два основных определения JVM — техническое и повседневное:
Когда разработчики говорят о JVM, обычно имеется в виду процесс, который выполняется на нашем устройстве, особенно на сервере — он управляет и контролирует использование ресурсов Java-приложения.
Кто разрабатывает и обслуживает JVM?
На сегодняшний день JVM массово используется и развивается в разных проектах — как коммерческих, так и Open Sourse. Например, существует проект OpenJDK, который представляет собой полностью совместимый Java Development Kit, состоящий исключительно из свободного и открытого исходного кода. При этом, несмотря на открытость кода этого проекта, его разработкой практически полностью занимается корпорация Oracle.
Сборка мусора
В Java памятью управляет JVM с помощью процесса, который называется сборкой мусора — он непрерывно определяет и удаляет неиспользуемую память в Java-приложениях. Сборка мусора происходит внутри работающей JVM.
В начале существования Java подвергалась серьезной критике за то, что не была «Close to the metal» как C++, поэтому не была такой быстрой. Особенно спорным критики называли процесс сборки мусора. С тех пор были предложены и использованы различные алгоритмы и подходы, которые значительно улучшили и оптимизировали сборку мусора.
Три главные части JVM
JVM состоит из трех основных частей: спецификация, реализация и экземпляр. Рассмотрим каждую из них.
Спецификация JVM
Первая часть JVM — спецификация, которая до конца не определяет все детали реализации виртуальной машины. Это значит, что остается максимальная свобода творчества для разработчика, который работает с ней. Чтобы правильно реализовать виртуальную машину Java, вам нужно всего лишь уметь читать class-файлы и правильно выполнять указанные в них операции.
И так, все, что должна делать JVM — правильно запускать Java-программы. Это может показаться достаточно простым процессом, однако это очень масштабная задача, учитывая мощность и гибкость языка Java.
Реализация JVM
Реализация спецификации JVM приводит к созданию реальной программы, которая и является реализацией JVM. По сути, существует огромное количество реализаций спецификации JVM — как коммерческих, так и с открытым кодом.
Экземпляр JVM
После того, как спецификация JVM реализована и выпущена в качестве самостоятельной программы, вы можете загрузить ее как приложение. Эта загруженная программа является экземпляром виртуальной машины.
Чаще всего, когда разработчики говорят о JVM, они имеют ввиду экземпляр JVM, который работает в среде разработки. Вы можете сказать: «Привет, сколько памяти использует JVM на этом сервере?» или «Я не могу поверить, что сделал зацикленный вызов, а переполнение стека сломало мою JVM. А ведь это просто ошибка новичка!»
Загрузка и выполнение class-файлов в JVM
Мы говорили о роли JVM в запуске Java-приложений, но как виртуальная машина выполняет свою функцию? Для запуска Java-приложений JVM зависит от загрузчика классов и механизма выполнения Java.
Загрузчик классов в JVM
Загрузчик классов Java является частью JVM — он загружает классы в память и делает их доступными для выполнения. Загрузчик классов использует технику ленивой загрузки (lazy-loading) и кэширование, чтобы сделать загрузку классов максимально эффективной. При этом использование таких методов считается достаточно простым процессом.
Все виртуальные машины Java включают в себя загрузчики классов. Спецификация JVM описывает стандартные методы для запроса и управления загрузчиком во время работы, но за выполнение этих возможностей отвечает конкретная реализация JVM. С точки зрения разработчика, механизмы, лежащие в основе загрузчика классов, обычно представляют собой черный ящик.
Механизм выполнения в JVM
После того, как загрузчик классов завершил свою работу, JVM начинает выполнять код каждого класса. Механизм выполнения — компонент JVM, который обрабатывает функции, и он необходим для корректной работы любой виртуальной машины Java.
Выполнение кода включает управление доступом к системным ресурсам. Механизм выполнения JVM находится между работой программы, с ее запросами на файловые, сетевые ресурсы и ресурсы памяти, и операционной системой, которая предоставляет эти ресурсы.
Управление системными ресурсами
Системные ресурсы могут быть разделены на две больших категории: память и все остальное.
JVM отвечает за очистку неиспользуемой памяти, при этом сборщик мусора — это механизм, который и осуществляет этот процесс. JVM также отвечает за распределение и поддержание ссылочной структуры, которую любой разработчик принимает как само собой разумеющееся. Например, механизм выполнения JVM отвечает за то, что при использовании ключевого слова new происходит запрос к операционной системе на выделение памяти.
Помимо памяти, механизм выполнения управляет ресурсами файловой системы и сети. Поскольку JVM совместима с различными операционными системами, то эта задача считается достаточно сложной. Помимо потребностей каждого приложения в ресурсах, механизм выполнения должен корректно работать с каждой операционной системой.
Эволюция JVM: прошлое, настоящее, будущее
В 1995 году разработчики JVM представили две революционные концепции, которые с тех пор стали стандартом в разработке: «Написал один раз, запускай везде» и автоматическое управление памятью. В то время совместимость софта была смелой концепцией, но сейчас это стало нормой. Точно так же, как современное поколение живет с автоматической сборкой мусора.
Можно сказать, что если Джеймс Гослинг и Брендан Эйх изобрели современное программирование, то тысячи других разработчиков усовершенствовали и развили их идеи в последующие десятилетия. Изначально виртуальная машина Java предназначалась только для Java, но сегодня она эволюционировала до поддержки многих языков программирования, включая Scala, Groovy и Kotlin.
Изучайте Java на Хекслете Вступайте в профессию и изучайте один из самых востребованных в энтерпрайзе языков программирования.
Как работает виртуальная машина Java — взгляд изнутри
Рассказывает Роман Иванов
Каждому Java-разработчику будет очень полезно понимать, что из себя представляет JVM, как в неё попадает код и как он исполняется. Статья больше подойдёт новичкам, но найти в ней что-то новое смогут и более опытные программисты. В статье вкратце описано, как устроен class-файл и как виртуальная машина обрабатывает и исполняет байт-код.
Основной задачей разработчиков Java было создание переносимых приложений. JVM играет центральную роль в переносимости — она обеспечивает должный уровень абстракции между скомпилированной программой и базовой аппаратной платформой и операционной системой. Несмотря на этот дополнительный «слой», скорость работы приложений необычайно высока, потому что байт-код, который выполняет JVM, и она сама отлично оптимизированы.
Рассмотрим схему работы JVM более подробно.
Структура class-файла
Напишем простейшее приложение и скомпилируем его. Компилятор заботливо создаст файл с расширением class и поместит туда всю информацию о нашем мини-приложении для JVM. Что мы увидим внутри? Файл поделён на десять секций, последовательность которых строго задана и определяет всю структуру class-файла.
Файл начинается со стартового (магического) числа: 0xCAFEBABE. Данное число присутствует в каждом классе и является обязательным флагом для JVM: с его помощью система понимает, что перед ней class-файл.
С девятого байта идёт пул констант, в котором содержатся все константы нашего класса. Так как в каждом классе их может быть различное количество, то перед массивом находится переменная, указывающая на его длину, то есть пул констант представляет из себя массив переменной длины. Каждая константа занимает один элемент в массиве. Во всём class-файле константы указываются целочисленным индексом, который обозначает их положение в массиве. Начальная константа имеет индекс 1, вторая константа — 2 и т. д.
Каждый элемент пула констант начинается с однобайтового тега, определяющего его тип. Это позволяет JVM понять, как правильно обработать идущую далее константу. Всего зарезервировано 14 типов констант:
| Тип константы | Значение тега |
| CONSTANT_Class | 7 |
| CONSTANT_Fieldref | 9 |
| CONSTANT_Methodref | 10 |
| CONSTANT_InterfaceMethodref | 11 |
| CONSTANT_String | 8 |
| CONSTANT_Integer | 3 |
| CONSTANT_Float | 4 |
| CONSTANT_Long | 5 |
| CONSTANT_Double | 6 |
| CONSTANT_NameAndType | 12 |
| CONSTANT_Utf8 | 1 |
| CONSTANT_MethodHandle | 15 |
| CONSTANT_MethodType | 16 |
| CONSTANT_InvokeDynamic | 18 |
Например, если тег указывает, что константа является строкой, JVM получает значение тега 1 и обрабатывает следующее за тегом число как длину массива байт, которые необходимо считать, чтобы получить нужную нам строку полностью.
Прочитав блок с константами, JVM переходит к следующим двум байтам — флагам доступа, которые определяют, описывает этот файл класс или интерфейс, общедоступный или абстрактный, является ли класс финальным.
Имена класса и его родительского класса хранятся в массиве констант, на которые указывают последующие 4 байта в файле.
Немного иначе обстоят дела с интерфейсами. Так как класс может наследоваться от множества интерфейсов одновременно, то хранить необходимо массив ссылок на пул констант. То есть за определением класса и его родительского класса идёт число, характеризующее размер массива интерфейсов, и сам массив. Все возможные значения кодов представлены ниже.
| Имя флага | Код | Определение |
| ACC_PUBLIC | 0x0001 | Объявлен публичным |
| ACC_FINAL | 0x0010 | Объявлен финальным |
| ACC_SUPER | 0x0020 | Специальный флаг, введённый в версии Java 1.1 для совместимости при вызове методов родителя |
| ACC_INTERFACE | 0x0200 | Объявлен интерфейсом |
| ACC_ABSTRACT | 0x0400 | Объявлен абстрактным |
| ACC_SYNTHETIC | 0x1000 | Зарезервированное определение |
| ACC_ANNOTATION | 0x2000 | Объявлен аннотацией |
| ACC_ENUM | 0x4000 | Объявлен перечислением |
Подобную структуру имеет и следующий блок — Fields.
Этот блок начинается с двухбайтового параметра количества полей в этом классе или интерфейсе. За ним идёт массив структур переменной длины. Каждая структура содержит информацию об одном поле: имя поля, тип, значение, если это, например, финальная переменная. В списке отображаются только те поля, которые были объявлены классом или интерфейсом, определённым в файле. Поля от родительских классов и имплементированных интерфейсов здесь не присутствуют, они задаются в своих class-файлах.
Далее мы переходим к самому важному месту в любом классе — его методам, именно в них сосредоточена вся логика любой программы, весь исполняемый байт-код.
Ситуация абсолютно аналогична описанным выше полям. В массиве переменной длины содержатся структуры, в которые входит полное описание сигнатуры метода: модификаторы доступа, имя метода и его атрибуты, которые также представляют из себя структуру, так как их может быть множество и каждый из них может принадлежать разным типам.
В последнем блоке идёт дополнительная мета-информация, например имя файла, который был скомпилирован. Она может присутствовать, а может и нет. В случае каких-то проблем JVM просто игнорирует этот блок.
Загрузка классов
Теперь, разобравшись с общей структурой файла, посмотрим, как JVM его обрабатывает.
Чтобы попасть в JVM, класс должен быть загружен. Для этого существуют специальные классы-загрузчики:
Главный класс приложения всегда загружается системным загрузчиком, остальные же классы могут быть загружены различными пользовательскими загрузчиками. Стоит упомянуть, что имя загрузчика создаёт уникальное пространство имён, то есть в программе может существовать несколько классов с одним и тем же полным именем, если они обрабатывались разными загрузчиками.
Поэтому каждый загрузчик делегирует свои полномочия родителю, то есть перед поиском класса для загрузки он попытается узнать, не был ли загружен нужный класс раньше.
После загрузки класса начинается этап линковки, который делится на три части.
Класс инициализируется, и JVM может начать выполнение байт-кода методов.
JVM получает один поток байтовых кодов для каждого метода в классе. Байт-код метода выполняется, когда этот метод вызывается в ходе работы программы. Поток байт-кода метода — это последовательность инструкций для виртуальной машины Java. Каждая инструкция состоит из однобайтового кода операции, за которым может следовать несколько операндов. Код операции указывает действие, которое нужно предпринять. Всего на данный момент в Java более 200 операций. Все коды операций занимают только 1 байт, так как они были разработаны компактными, поэтому их максимальное число не может превысить 256 штук.
В основе работы JVM находится стек — основные инструкции работают с ним.
Рассмотрим пример умножения двух чисел. Ниже представлен байт-код метода:
На Java это будет выглядеть так:
По листингу выше можно заметить, что коды операций сами по себе указывают тип и значение. Например, код операции iconst_1 указывает JVM на целочисленное значение, равное единице. Такие байт-коды определены для самых часто используемых констант. Эти инструкции занимают 1 байт и введены специально для повышения эффективности выполнения байт-кода и уменьшения размера его потока. Подобные короткие константы также присутствуют и для других типов данных.
Всего JVM поддерживает семь примитивных типов данных: byte, short, int, long, float, double и char.
Если бы мы хотели положить в переменную а другое значение, например 11112, то нам пришлось бы использовать инструкцию sipush :
Данные операции выполняются в так называемом фрейме стека метода. У каждого метода есть некоторая своя часть в общем стеке. Таким образом в нашем главном потоке исполнения программы создаются множество подстеков на каждый вызов метода. Более наглядно это представлено на картинке ниже:
В каждом стек-фрейме хранится массив локальных переменных, который позволяет сохранять и доставать локальные переменные, как мы сделали в примере выше, поместив значения 1 и 5 в переменные 1 и 2. Стоить отметить, что здесь компилятор также оптимизировал байт-код, используя однобайтовые инструкции. Если бы переменных в нашем методе было много, использовался бы код операции сохранения значения вместе с указанием позиции переменной в массиве.
Вызовы методов
Java предоставляет два основных вида методов: методы экземпляра и методы класса. Методы экземпляра используют динамическое (позднее) связывание, тогда как методы класса используют статическое (раннее) связывание.
Возвращаемое методом значение кладётся на стек. Типы возвращаемых значений методов указаны ниже:
| Операция | Описание |
| ireturn | Помещает на стек значение типа int |
| lreturn | Помещает на стек значение long, |
| freturn | Помещает на стек значение float |
| dreturn | Помещает на стек значение double |
| areturn | Помещает на стек значение object |
| return | Не изменяет стек |
Циклы
Осталось рассмотреть последнюю часто используемую конструкцию языка — циклы. Посмотрим, во что превратится код, представленный ниже:
Заключение
Изначально байт-код интерпретируется в большинстве JVM, но как только система замечает, что некоторый код используется очень часто, она подключает встроенный компилятор, который компилирует байт-коды в машинный код, тем самым значительно ускоряя работу приложения.
Таким образом, мы поверхностно рассмотрели жизненный цикл байткода в JVM: class-файлы, их загрузку и выполнение байт-кода и базовые инструкции.