10年の経験を持つ建築家がJVMの動作原理を解説

Java 開発を行うほとんどの人は JVM という用語を知っていますが、JVM は実際の単純な開発にはあまり関係がないため、一般的には 1 年か 2 年働いた後 (もちろん、学習が好きでパフォーマンスの最適化を専門とする人は除きます)、JVM とは何か、どのように機能するかを学習して理解できる人はほとんどいません。特にJava開発者として始めたばかり、あるいは始めたばかりの人にとっては、これを真剣に理解し学ぶことが非常に必要だと個人的には思います。 JVM は Java の基礎です。

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1. JVM分析

Java ユーザーとしては、JVM のアーキテクチャを習得することも必要です。

Java について話すとき、まず頭に浮かぶのは Java プログラミング言語です。しかし、実際には、Java は、Java プログラミング言語、Java クラスファイル形式、Java 仮想マシン、および Java アプリケーションプログラムインターフェイス (Java API) の 4 つの側面から構成されるテクノロジです。それらの関係は次の図に示されています。

Java プラットフォームは、Java 仮想マシンと Java アプリケーションプログラミングインターフェイスによって構築され、Java 言語はこのプラットフォームに入るためのチャネルです。 Java 言語で記述およびコンパイルされたプログラムは、このプラットフォーム上で実行できます。このプラットフォームの構造を下図に示します。ランタイム環境は Java プラットフォームを表します。開発者は Java コード (.java ファイル) を記述し、それをバイトコード (.class ファイル) にコンパイルします。次にバイトコードがメモリにロードされます。バイトコードが仮想マシンに入ると、インタープリタによって解釈されて実行されるか、ジャストインタイムコードジェネレータによって選択的にマシンコードに変換されます。

JVM のライフサイクルには、Java プログラムを実行するという明確なタスクがあります。したがって、Java プログラムが起動されると、JVM のインスタンスが生成されます。プログラムが終了するとインスタンスは消えます。 Java プラットフォームの構造では、Java 仮想マシン (JVM) が中核にあり、基盤となるオペレーティングシステムやハードウェアから独立したプログラムを実現するための鍵となっていることがわかります。その下には移行インターフェースがあり、これはアダプタと Java オペレーティングシステムの 2 つの部分で構成されます。このうち、プラットフォームに依存する部分はアダプタと呼ばれます。 JVM は移行インターフェースを通じて特定のプラットフォームおよびオペレーティングシステムに実装されます。 JVM の上には、Java の基本クラスライブラリと拡張クラスライブラリ、およびそれらの API があります。 Java API を使用して作成されたアプリケーション (アプリケーション) とアプレット (Java アプレット) は、Java 仮想マシン (JVM) によってプログラムとオペレーティングシステムの分離が実現され、Java のプラットフォーム独立性が実現されるため、基盤となるプラットフォームを考慮せずに任意の Java プラットフォームで実行できます。

次に、JVM の基本概念と操作プロセスという 2 つの側面から詳細に学習します。

2. JVMの基本概念

（１）基本概念：

JVM は、バイトコード命令セット、レジスターセット、スタック、ガベージコレクター、ヒープ、およびストレージメソッドドメインで構成され、Java コードを実行できる仮想コンピューターです。 JVM はオペレーティングシステム上で実行され、ハードウェアと直接やり取りすることはありません。

（２）操作手順：

Java ソースファイルはコンパイラを通じて対応する .Class ファイル、つまりバイトコードファイルを生成でき、バイトコードファイルは Java 仮想マシンのインタープリタを通じて特定のマシン上でマシンコードにコンパイルされることは周知の事実です。

つまり、次のようになります。

① Javaソースファイル -> コンパイラ -> バイトコードファイル

② バイトコードファイル -> JVM -> マシンコード

各プラットフォームのインタープリターは異なりますが、実装される仮想マシンは同じです。これが、Java がクロスプラットフォームである理由です。プログラムの実行が開始されると、仮想マシンのインスタンス化が開始されます。複数のプログラムを起動すると、複数の仮想マシンインスタンスが存在します。プログラムが終了または閉じられると、仮想マシンインスタンスは消え、複数の仮想マシンインスタンス間でデータを共有できなくなります。

（３）JVMの３つの種類：

①太陽からのホットスポット

② BEAのJRockit

③ IBMのJ9 JVM;

JDK1.7 以前では Sun の HotSpot を使用していましたが、Sun と BEA の両方が Oracle に買収されたため、JDK1.8 では Sun の HotSpot と BEA の JRockit のエッセンスを使用して JDK1.8 の JVM を形成します。

3. JVMアーキテクチャ

（１）クラスローダー

.class ファイルの読み込みを担当します。クラスファイルはファイルの先頭に特定のファイルマーカーを持っており、ClassLoader がクラスファイルのロードなどを担当します。実行できるかどうかは実行エンジンによって判断されます。

①バイナリクラスファイルを見つけてインポートする

②インポートしたクラスの正しさを確認する

③ クラスの初期メモリを割り当てる

④ シンボル参照の解決を支援します。

（２）ネイティブインターフェース：

ネイティブインターフェイスの役割は、さまざまなプログラミング言語を統合して Java で使用することです。当初の目的は、C/C++ プログラムを統合することでした。 Java が誕生したとき、C/C++ が蔓延していました。足がかりを得るためには、C/C++ プログラムを呼び出す必要がありました。そのため、ネイティブとしてマークされたコードを処理するために、メモリ内に特別な領域が開かれました。具体的なアプローチは、ネイティブメソッドをネイティブメソッドスタックに登録し、実行エンジンで実行するときにネイティブライブラリをロードすることです。

現在、Java プログラムでプリンターを駆動したり、Java システムで生産設備を管理したりするなど、ハードウェア関連のアプリケーションでない限り、この方法はますます使用されなくなっています。エンタープライズレベルのアプリケーションではすでに珍しいことです。

異種分野間の通信が非常に発達しているため、ソケット通信や Web サービスも利用できます。

（３）実行エンジン：実行エンジンは、ロードクラスのメソッド、つまりメソッドに含まれる命令を実行します。

（４）ランタイムデータ領域：

仮想マシンメモリまたは Jvm メモリは、Jvm に必要なオブジェクトや変数などを格納するために、コンピュータメモリ全体にメモリの一部が割り当てられます。実行領域データは、メソッド領域、仮想マシンスタック、ローカルメソッドスタック、ヒープ、プログラムカウンターなど、多くの小さな領域に分割されます。

4. JVMデータ操作領域（スタック管理操作、ヒープ管理ストレージ）の詳細説明：

注: JVM のチューニングでは、主にヒープとメソッド領域の最適化が行われます。

（１）ネイティブメソッドスタック

具体的なアプローチは、ネイティブメソッドをネイティブメソッドスタックに登録し、実行エンジンの実行時にネイティブライブラリをロードすることです。

（２）PCレジスタプログラムカウンタ

各スレッドにはプログラムカウンターがあり、これはメソッド領域内のメソッドバイトコード (次に実行される命令コード) を指すポインターです。実行エンジンは次の命令を読み取ります。これはほとんど無視できるほど小さなメモリ空間です。

（３）方法領域

メソッド領域はすべてのスレッドで共有されます。すべてのフィールドとメソッドのバイトコード、およびコンストラクターやインターフェースコードなどの一部の特殊メソッドもここで定義されます。簡単に言えば、定義されたすべてのメソッドに関する情報は、共有領域に属するこの領域に保存されます。

静的変数 + 定数 + クラス情報 + 実行時定数プールはメソッド領域に格納され、インスタンス変数はヒープメモリに格納されます。

（4）スタック

①スタックとは何か？

スタック (スタックメモリとも呼ばれます) は、Java プログラムの実行を担当します。スレッドが作成されるときに作成されます。そのライフサイクルはスレッドのライフサイクルに従います。スレッドが終了すると、スタックメモリが解放されます。スタックにはガベージコレクションの問題はありません。スレッドが終了すると、スタックは Over になります。ライフサイクルはスレッドと一致しており、スレッド専用です。

基本型の変数とオブジェクト参照変数は、関数のスタックメモリに割り当てられます。

② スタックには何が格納されますか?

スタックフレームには主に次の 3 種類のデータが格納されます。

ローカル変数: メソッド内の入力および出力パラメータと変数。

オペランドスタック: スタックのポップとプッシュの操作を記録します。

フレームデータ: クラスファイル、メソッドなどが含まれます。

③スタックの動作原理

スタック内のデータはスタックフレームの形式で存在します。スタックフレームは、メモリブロック、データセット、メソッドおよびランタイムデータに関するデータセットです。メソッド A が呼び出されると、スタックフレーム F1 が生成され、スタックにプッシュされます。メソッド A はメソッド B を呼び出すため、スタックフレーム F2 もスタックにプッシュされます。メソッド B はメソッド C を呼び出すため、スタックフレーム F3 もスタックにプッシュされます... 実行が順番に完了すると、最初に F3 スタックフレームがポップアウトされ、次に F2 スタックフレームがポップアウトされ、最後に F1 スタックフレームがポップアウトされます。

「先入れ後出し」/「後入れ先出し」の原則に従ってください。

（５）ヒープ

ヒープ領域は JVM 内で最大です。アプリケーションオブジェクトとデータはこの領域に保存されます。この領域もスレッドによって共有され、GC の主なリサイクル領域となります。 JVM インスタンスにはヒープクラスメモリが 1 つだけあり、ヒープメモリのサイズは調整できます。クラスローダーはクラスファイルを読み取った後、エグゼキュータの実行を容易にするために、クラス、メソッド、定数変数をヒープメモリに配置する必要があります。ヒープメモリは 3 つの部分に分かれています。

①新入生エリア

新生児領域は、クラスが生まれ、成長し、消滅する領域です。クラスは生成され、適用され、最終的にガベージコレクターによって収集され、ここでその有効期間が終了します。新しいエリアは、エデンスペースとサバイバーペースの 2 つの部分に分かれています。すべてのクラスは、Eden スペースに新しく作成されます。サバイバースペースには、サバイバー 0 スペースとサバイバー 1 スペースの 2 つがあります。 Eden のスペースが使い果たされ、プログラムがオブジェクトを再度作成する必要がある場合、JVM のガベージコレクターは Eden でガベージコレクション (マイナー GC) を実行し、Eden 内の残りのオブジェクトをサバイバーゾーン 0 に移動します。サバイバーゾーン 0 もいっぱいの場合、そのゾーンでガベージコレクションが実行され、ゾーン 1 に移動されます。エリア 1 もいっぱいの場合はどうなるでしょうか。その後、退職エリアへ移動します。退避領域もいっぱいの場合は、この時点でメジャー GC (FullGCC) が生成され、退避領域のメモリがクリーンアップされます。フル GC を実行した後も、リタイアメント領域でオブジェクトを保存できないことが判明した場合、OOM 例外「OutOfMemoryError」が発生します。

java.lang.OutOfMemoryError: Java ヒープスペース例外が発生した場合、Java 仮想マシンのヒープメモリが不足していることを意味します。理由は2つあります。

a. Java 仮想マシンのヒープメモリ設定が不十分です。パラメータ -Xms と -Xmx を使用して調整できます。

b.コード内に大量の大きなオブジェクトが作成され、長時間ガベージコレクターで収集できない（参照される）状態になります。

② 退職エリア

廃止領域は、新規領域から選択された Java オブジェクトを格納するために使用されます。通常、プールオブジェクトはこの領域でアクティブになります。

③ 常設エリア

永続ストレージ領域は、JDK 自体が持つクラスとインターフェースのメタデータを格納するために使用される常駐メモリ領域です。つまり、動作環境に必要なクラス情報を格納します。この領域にロードされたデータは、ガベージコレクターによってリサイクルされません。この領域が占有するメモリは、JVM がシャットダウンされたときにのみ解放されます。

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space が表示される場合、Java 仮想マシンに永続世代用の Perm メモリが不足していることを意味します。理由は2つあります。

a.プログラムの起動には、多数のサードパーティの jar パッケージを読み込む必要があります。たとえば、1 つの Tomcat にデプロイされているアプリケーションが多すぎる場合などです。

b.動的リフレクションによって生成された多数のクラスが継続的にロードされ、最終的に Perm 領域がいっぱいになります。

例:

Jdk1.6 以前: 定数プールは永続世代に割り当てられます。

JDK 1.7: はい、ただし、永続世代は徐々に削除されています。

Jdk1.8 以降: なし (java.lang.OutOfMemoryError: PermGen スペース、このエラーは JDK1.8 では発生しません)。

説明: メソッド領域とヒープメモリの不一致:

実際、メソッド領域はヒープと同様に、すべてのスレッドで共有されるメモリ領域です。仮想マシンによってロードされたクラス情報 + 共通定数 + 静的定数 + コンパイラによってコンパイルされたコードなどを格納するために使用されます。JVM 仕様ではメソッド領域はヒープ論理部分として説明されていますが、ヒープから分離することを目的とした Non-Heap というエイリアスもあります。

HotSpot 仮想マシンの場合、多くの開発者はメソッド領域を「Permanent Generation (Parmanent Gen)」と呼ぶことに慣れていますが、厳密に言えば、この 2 つは異なります。つまり、メソッド領域は Permanent Generation を使用して実装されます。 Permanent Generation はメソッド area の実装です。 jdk1.7 バージョンでは、元々 Permanent Generation に配置されていた文字列定数プールが移動されました。

定数プールはメソッド領域の一部です。クラスバージョン、フィールド、メソッド、インターフェイス、その他の説明情報に加えて、クラスファイルには定数プールも含まれています。このコンテンツは、クラスがロードされた後にメソッド領域の実行時定数プールに保存されます。

5. ヒープメモリチューニングの概要

コードテスト:

パブリッククラス JVMTest { 
 
公共 静的void main(String[] args){ 
 
 long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory(); //Java 仮想マシンが使用しようとするメモリの最大量を返します。 
 
長い totalMemory = ランタイム。 getRuntime().totalMemory(); //Java 仮想マシン内のメモリの合計量を返します。 
 
システム。出力.println( "MAX_MEMORY =" +maxMemory + "(byte)," +(maxMemory/( double )1024/1024) + "MB" ); 
 
システム。 out .println( "TOTAL_MEMORY = " +totalMemory + "(byte)" +(totalMemory/( double )1024/1024) + "MB" ); 
 
 } 
 
 }

注: ヒープメモリ操作の概要を表示するには、[実行方法] -> [実行構成] に「-XX:+PrintGCDetails」と入力します。

（1）JDK 1.7の場合：

（2）JDK 1.8の場合：

6. パラメータ設定によりガベージコレクションを自動的にトリガーする:

パブリッククラス JVMTest { 
 
公共 静的void main(String[] args){ 
 
 long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory(); //Java 仮想マシンが使用しようとするメモリの最大量を返します。 
 
長い totalMemory = ランタイム。 getRuntime().totalMemory(); //Java 仮想マシン内のメモリの合計量を返します。 
 
システム。出力.println( "MAX_MEMORY =" +maxMemory + "(byte)," +(maxMemory/( double )1024/1024) + "MB" ); 
 
システム。 out .println( "TOTAL_MEMORY = " +totalMemory + "(byte)" +(totalMemory/( double )1024/1024) + "MB" ); 
 
文字列 str = "www.baidu.com" ; 
 
 while( true ){ 
 
 str += str + 新しい Random().nextInt(88888888) + 新しい Random().nextInt(99999999); 
 
 } 
 
 } 
 
 } 
 
ガベージ コレクション メカニズムの原理を確認するには、[実行方法] -> [実行構成]に「-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails」という設定を入力します。