Java Virtual Machine
Architecture
- スレッド
所有
- Program Counter Register
- VM Stack
- Native Method Stack
- スレッド
共有
- Heap
- Method Area
- Direct Memory (Non Runtime Area Parts)
Overview
- ClassLoader
- Method Area
- Heap: すべてのオブジェクト、関連 するインスタンス変数 、配列 はヒープに格納 されます。このメモリは共有 であり、複数 のスレッド間 で共有 されます。
- JVM Language Stacks
- Stack Frame : 過程 活動 記録 、コンパイラが関数 呼 び出 しを実装 するためのデータ構造
- PC Registers: 現在 実行中 のJava仮想 マシン命令 のアドレスを格納 します。Javaでは、各 スレッドが独自 のPCレジスタを持 っています。
- Native Method Stacks: ネイティブメソッドスタックは、ネイティブライブラリに依存 するコード命令 を保持 します。これはJava以外 の言語 で書 かれています。
- Execution Engine
- Native Method Interface / Java Native Interface: ネイティブメソッドインターフェースはプログラミングフレームワークです。JVM内 で実行 されているJavaコードがライブラリやネイティブアプリケーションによって呼 び出 されることを許可 します。C、C++などのネイティブコンパイル言語 を呼 び出 すことができます。
- Native Method Libraries: ネイティブメソッドライブラリは、実行 エンジンが必要 とするネイティブライブラリ（C、C++）の集合 です。
Memory Region
- Young
- Old
- Metaspace
Lifecycle
Code Compilation & Execution Process
Java Code
javac: JavaクラスコードをJVMバイトコードにコンパイルする役割 を担 います
flowchart TB Java-Code[.java] Java-Byte-Code[.class] Windows[JVM in Windows] Linux[JVM in Linux] Mac[JVM in Mac] Java-Code -->|Java Compiler| Java-Byte-Code --> Windows Java-Byte-Code --> Linux Java-Byte-Code --> Mac
ClassLoader
- クラスローダー: .classファイルにアクセスするサブシステムで、ローディング、リンキング、初期化 の3つの主要 な機能 を実行 します。
- Loading:
BootStrap ClassLoader=> ブートストラップクラスパスからクラスをロードする責任 があります。rt.jarをロードします。 java.lang.*パッケージクラスなどのコアクラスをロードします。 このローダーには最高 の優先度 が与 えられます。Extension ClassLoader=> extフォルダ**($JAVA_HOME/lib/ext)**内 のクラスをロードする責任 があります。Application ClassLoader=> アプリケーションレベルのクラスパス、環境 変数 で指定 されたパスなどをロードする責任 があります。
- Linking:
- Verify: バイトコード検証 ツールが、生成 されたバイトコードが正当 かどうかを検証 します。検証 に失敗 すると検証 エラーが発生 します。
- Prepare: すべてのstatic変数 にメモリが割 り当 てられ、デフォルト値 が設定 されます。
- Resolve: すべてのシンボリックメモリ参照 がMethod Areaからの元 の参照 に置 き換 えられます。
- Initialization:
- これはClassLoadingの最終 段階 です。 ここで、すべてのstatic変数 に元 の値 が割 り当 てられ、staticブロックが実行 されます。
クラスファイル形式仕様
public class DemoClass implements Serializable {
int x = 1;
void test(){}
}javap -verbose DemoClassWarning: File .\DemoClass.class does not contain class DemoClass
Classfile /D:/CodeWorkspace/Java/java-fundamental-practice/java-jvm-learning/target/classes/com/lex/practice/classbytecode/DemoClass.class
Last modified 2023~3~~11~~; size 441 bytes
SHA-256 checksum 8b5a7305cb2e6a8e35c4ab250009f242898a08f81082cebe02cbe2405792c128
Compiled from "DemoClass.java"
public class com.lex.practice.classbytecode.DemoClass implements java.io.Serializable
minor version: 0
major version: 61
flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
this_class: #8 // com/lex/practice/classbytecode/DemoClass
super_class: #2 // java/lang/Object
interfaces: 1, fields: 1, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:
#1 = Methodref #2.#3 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #4 // java/lang/Object
#3 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V
#4 = Utf8 java/lang/Object
#5 = Utf8 <init>
#6 = Utf8 ()V
#7 = Fieldref #8.#9 // com/lex/practice/classbytecode/DemoClass.x:I
#8 = Class #10 // com/lex/practice/classbytecode/DemoClass
#9 = NameAndType #11:#12 // x:I
#10 = Utf8 com/lex/practice/classbytecode/DemoClass
#11 = Utf8 x
#12 = Utf8 I
#13 = Class #14 // java/io/Serializable
#14 = Utf8 java/io/Serializable
#15 = Utf8 Code
#16 = Utf8 LineNumberTable
#17 = Utf8 LocalVariableTable
#18 = Utf8 this
#19 = Utf8 Lcom/lex/practice/classbytecode/DemoClass;
#20 = Utf8 test
#21 = Utf8 SourceFile
#22 = Utf8 DemoClass.java
{
int x;
descriptor: I
flags: (0x0000)
public com.lex.practice.classbytecode.DemoClass();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: iconst_1
6: putfield #7 // Field x:I
9: return
LineNumberTable:
line 9: 0
line 10: 4
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 10 0 this Lcom/lex/practice/classbytecode/DemoClass;
void test();
descriptor: ()V
flags: (0x0000)
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0: return
LineNumberTable:
line 11: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 1 0 this Lcom/lex/practice/classbytecode/DemoClass;
}
SourceFile: "DemoClass.java"- Magic Number
*十六進数
の英字
はABCDEFのみ
*
cafe babe - version
52 = Java SE 80000 003d - Constant Pool Count:
hex=decimal0017=23つまり次 に定数 が22個 あり、最初 のインデックス値 は0 2バイトは1つのクラスの定数 プールの最大 数 が65536であることを表 します
クラスローダーが必要な理由
入力
はクラスファイル(.class)
出力
は2つ
- クラスオブジェクト(Hello Class Object)を
ヒープ(heap)に格納 - フィールド名
記述子
、メソッド名
記述子
などのクラスの様々
な情報
をメソッドエリア
(Method Area)に格納 クラスファイル –> クラスオブジェクト+クラス情報 5つの段階 を経 る必要 があります
flowchart LR Load[ローディング] Verify[検証] Prepare[準備] Analyze[解析] Init[初期化] Load --> Verify --> Prepare --> Analyze --> Init
- 能動的
ローディング
newキーワードを使用 して新 しいオブジェクトが作成 されるstatic methodが呼 び出 されるstatic variableがアクセスされる（ただしcompile-time定数 は例外 ）- このクラスのサブクラスが初期化 されたとき、このクラスがまだ初期化 されていなければ、先 にこのクラスを初期化
- コマンドラインから実行 されるとき、ユーザーが指定 したメインクラス（public static void main(String[] args)があるクラス）
- リフレクション呼 び出 し
- 受動的
ローディング
- 上記 以外 の場合 はすべて受動的
Loading
クラスローダーによって完了 します。クラスまたはインターフェースがアクセスされると、 クラスローダーはこのクラスのclasspathを検索 し、見 つかった後 、 このクラスのバイトストリーム/バイトコード(byte code)をロードし、ロード後 にクラスオブジェクト(class object)になります クラスオブジェクトはinstance of java.lang.Classであり、クラスオブジェクトはこのクラスのすべてのmeta information（ class name、super class name、methodsなど）を所有 します
flowchart LR
1{{クラスオブジェクトはheapにあるか}}
2[親クラス委譲モデルで.classファイルを探す]
3{{.classファイルは見つかったか}}
e1([クラスオブジェクトを返す])
e2([クラスオブジェクトを返す&heapに格納])
e3([ClassNotFoundExceptionをスロー])
1 -->|はい| e1
1 -->|いいえ| 2
2 --> 3 -->|はい| e2
3 -->|いいえ| e3
- カスタムクラスローダー
java.lang.Classloaderを継承 するだけで独自 のクラスローダーを定義 できます。 暗号化 されたファイルや、データベースやネットワークなどの特殊 なソースからロードするために使用 できます
Verification
このステップは
classのbyte streamが合法 かどうかを確認 する責任 があります。 悪意 のある文字列 ストリームではないことをbytecode verifierというもので検査 します この段階 で検証 される内容 ： クラスファイル形式 検証 メタデータ検証 バイトコード検証 シンボリック参照 検証 検証 が不合格 の場合 、java.lang.VerifyError例外 またはそのサブクラス例外 がスローされます
4大検証
- クラスファイル形式検証
最初
の検証
：
byte streamが合法 かどうかを検証 クラスファイル形式仕様 - syntax errorの検証
- magic number CAFE BABEで始 まっているか
- バージョン番号 がこのJVMで処理 できるか
- …etc.
このクラスの
byte streamを解析 した後 、このクラスがメソッドエリア内 に正 しく格納 できることを示 します。 メソッドエリアに格納 された後 、残 りの3つの検証 はすべてメソッドエリア内 のデータを検証 し、 byte streamを操作 しなくなります。
- metadata verifier メタデータ検証
- semantic errorの検証
- finalクラスが継承 されていない
- finalメソッドがオーバーライドされていない
- 不正 なオーバーロードがない（signatureが同 じで戻 り値 が異 なるなど）
- このクラスが抽象 クラスでない場合 、すべてのインターフェースメソッドと親 クラスの抽象 メソッドを実装 しているか
- Byte Code Verifier バイトコード検証
- クラスのメソッド内容 を検証
- Bytecode integrity：if conditionが同 じ関数 外 の行番号 にジャンプしない
- 型 変換 がルールに違反 していない（例：サブオブジェクトを親 型 に割 り当 てることは許可 されるが、逆 は不可 、または継承 関係 のない型 にオブジェクトを割 り当 てることは違法 ）
- シンボリック参照 検証 定数 プール内 のシンボリック参照 を検証
- シンボリック参照 内 の完全 修飾 名 が対応 するクラスを見 つけられるか
- シンボリック参照
内
のフィールド、メソッドなどが現在
のクラスからアクセスできるか
シンボリック参照
検証
の目的
は、解析
段階
(Resolution)が順調 に進 むことを確保 することです
パラメータを与
えて、大部分
の検証
を無効
にし、JVMの実行
を高速化
できます
-Xverify:nonePreparation
準備
static variableにヒープ(heap)の空間 を割 り当 て、デフォルト値 を設定 します。メソッドエリアに十分 な空間 がない場合 、OutOfMemoryErrorがスローされます- finalで修飾
されていないstatic変数
は、この段階
でデフォルト値
が割
り当
てられます。例
：
public static int value = 111;この時点 でvalueは0に設定 され、初期化 段階 で111に設定 されます public static final int value = 111;この場合 、valueはこの段階 で111に設定 されます
Resolution
解析
クラスファイル内 の
シンボリック参照を、メモリ内 の目的 の位置 を直接 指 すポインタに変換 するステップです
Initialize
初期化
Parent Delegation Model
親 委譲 モデル
(Note: クラスローダーの親子
関係
は継承
関係
で実装
されるのではなく、合成
(Composition)関係
で親
ローダーのプログラムを再利用
します)
Runtime Data Area
Method Area
- JVM Method Areaは、メタデータ、定数 ランタイムプール、メソッドのコードなどのクラス構造 を格納 します。
Constant Pool
- 定数 プール: 目的 は空間 の節約
- ByteCode File内 のすべてのVariablesとMethodsは、Class Fileの定数 プール内 にSymbolic Referenceとして保存 されます
| 型 | 項目 | 型 | 説明 |
|---|---|---|---|
| CONSTANT_Utf8_info (UTF8文字列 ) | tag length bytes | u1 u2 u1 | tag値 は1 UTF8文字列 の長 さ UTF8文字列 |
| CONSTANT_Integer_info (整数 ) | tag bytes | u1 u4 | tag値 は3 整数 値 |
| CONSTANT_Float_info (浮動 小数点 数 ) | tag bytes | u1 u4 | tag値 は4 浮動 小数点 数値 |
| CONSTANT_Long_info (長 整数 ) | tag bytes | u1 u8 | tag値 は5 長 整数 値 |
| CONSTANT_Double_info (倍 精度 浮動 小数点 数 ) | tag bytes | u1 u8 | tag値 は6 倍 精度 浮動 小数点 数値 |
| CONSTANT_Class_info (クラスまたはインターフェース シンボリック参照 ) | tag name_index | u1 u2 | tag値 は7 名前 がどのインデックスにあるか |
| CONSTANT_String_info (文字列 リテラル) | tag string_index | u1 u2 | tag値 は8 文字列 がどのインデックスにあるか |
| CONSTANT_Fieldref_info (フィールド シンボリック参照 ) | tag class_index name_and_type_index | u1 u2 u2 | tag値 は9 CONSTANT_Class_infoのインデックス CONSTANT_NameAndType_infoのインデックス |
| CONSTANT_Methodref_info (クラスのメソッド シンボリック参照 ) | tag class_index name_and_type_index | u1 u2 u2 | tag値 は10 CONSTANT_Class_infoのインデックス CONSTANT_NameAndType_infoのインデックス |
| CONSTANT_InterfaceMethodref_info (インターフェース内 メソッド シンボリック参照 ) | tag class_index name_and_type_index | u1 u2 u2 | tag値 は11 CONSTANT_Class_infoのインデックス CONSTANT_NameAndType_infoのインデックス |
| CONSTANT_NameAndType_info (フィールドまたはメソッドの名前 と型 シンボリック参照 ) | tag name_index descriptor_index | u1 u2 u2 | tag値 は12 名前 文字列 へのポインタ 型 文字列 へのポインタ |
0A = 10, tag 10 = Methodref, u1 = 1バイト u2 = 2バイト- Access Flags アクセスフラグ
- Class Name クラス名
- Super Class Name 親 クラス名
- Interfaces Count インターフェースの数
- Interfaces インターフェース
- Fields Count フィールドの数
- Fields フィールド
- Methods Count メソッドの数
- Methods メソッド
- Attributes Count 属性 の数
- Attributes 属性
JVM Language Stacks
Java言語
スタックはローカル変数
と部分的
な結果
を格納
します。各
スレッドは独自
のJVMスタックを持
ち、
スレッドの作成
と同時
に作成
されます。
メソッドが呼
び出
されるたびに新
しいフレームが作成
され、
メソッド呼
び出
しプロセスが完了
すると削除
されます。
Execution Engine
ハードウェア、ソフトウェア、または完全
なシステムをテストするために使用
されるソフトウェアの一種
です。
テスト実行
エンジンは、テスト対象
製品
に関
する情報
を一切
持
ちません。
Interpreter
- インタプリタ
1行 実行 するたびに1行 コンパイルし、各
Javaバイトコードを順番 に変換 ・実行 するため、パフォーマンスは劣 ります。 一般的 に、実行 エンジンは最初 にInterpreterを使用 してJavaバイトコードを実行 し、特定 の条件 が満 たされた後 にJIT最適化 を使用 します
JIT
Just-in-time compiler即時 コンパイラ- C++で開発
- バイトコードをマシンコードに変換 する役割
バイトコードの実行 を開始 するとき、最初 はインタプリタ(Interpreter)で実行 し、各 メソッドにはカウンターcounterがあります。Method Aを1回 実行 するたびにMethod Aのcounterを+1し、メソッドの呼 び出 し回数 が特定 の閾値 を超 えると、compilerを呼 び出 してコンパイルされたマシンコードをキャッシュ(Cache)します。その後Method Aを呼 び出 すときはマシンコードで実行 し、 counterを再 び+1し、第 2の閾値 を超 えると、再 びcompilerを呼 び出 して最適化 を追加 し、 生成 されたマシンコードで以前 のものを上書 きします。これを繰 り返 し、ある閾値 以降 最適化 できなくなったら、カウントを停止 します。 この方法 は動的 コンパイルとも呼 ばれ、Interpreterの速度 を大幅 に向上 させます。 JavaScript、Python、RubyもすべてJITを使用 してインタプリタを高速化 しています。
Garbage Collector
- ガベージコレクタ