1. JVM実行プロセス

JVM は Java プログラムの動作基盤および動作環境であり、"一次编译，到处运行"Java 実装の鍵でもあります。したがって、Java プログラミング言語を学習して理解するには、JVM を深く理解することが重要ですが、JVM は正確にどのように機能するのでしょうか?

次の図は、JVM の基本的な操作プロセスを示しています。

JVM の実行プロセスには、次の主要コンポーネントが含まれます。

Java コードをバイトコードに変換 (.classファイル).class : Java ソースコードを作成した後、Java コンパイラによって Java ソースコードをバイトコードにコンパイルして、Java プログラムの中間コードを含むファイルを生成する必要があります。
クラスローダー (ClassLoader) : JVM のクラスローダーは、.classバイトコードファイルをメモリにロードする役割を果たします运行时数据区。クラスローダーは、クラスの完全修飾名 (Fully Qualified Name) に従って、対応するバイトコードファイルを検索してロードし、ファイルの内容に従って、後続の実行エンジン呼び出しでこのクラスを表す Class オブジェクトを作成します。
実行メモリ管理: JVM は、プログラムの実行時に、主に次の領域を含むメモリ領域を管理します。
- 仮想マシンスタック (Java 仮想マシンスタック) : ローカル変数、オペランドスタックなどを含む、メソッド呼び出しを格納するために使用されるスタックフレーム。
- ネイティブメソッドスタック: ネイティブメソッドの実行に使用されるスタック。
- メソッド領域: クラスの構造情報、定数プール、静的変数などを格納します。
- ヒープ (Heap) : オブジェクトのインスタンスと配列を格納するメモリ領域。
- プログラムカウンター (プログラムカウンター) : 現在のスレッドによって実行されたバイトコード命令のアドレスまたはインデックスを記録します。
実行エンジン:実行エンジンは JVM のコアコンポーネントの 1 つで、メモリにロードされたバイトコードファイルの実行を担当します。実行エンジンは次の 2 つの方法でバイトコードを実行します。
- 解釈と実行:バイトコード命令を 1 つずつ解釈し、対応する操作を実行します。解釈と実行は効率的ではありませんが、クロスプラットフォームであり、実行を開始したばかりのコードセグメントまたは実行頻度が低いコードセグメントに適しています。
- コンパイルと実行:バイトコードを特定のプラットフォーム用のネイティブコードにコンパイルし、実行のために CPU に渡します。コンパイルと実行の効率は高くなりますが、追加のコンパイル時間が必要となるため、実行回数が頻繁にあるコードセグメントに適しています。
ネイティブライブラリ: バイトコードはクロスプラットフォームの命令セット仕様のセットにすぎないため、JVM 内の Java コードは基礎となるオペレーティングシステムに直接アクセスできません。Java コードが基礎となるオペレーティングシステムを実行する必要がある場合、またはネイティブコード (C、C++ など) と対話する必要がある場合。これらの機能は、ローカルメソッドライブラリを通じて実現する必要があります。ネイティブメソッドライブラリは、Javaプログラムからオペレーティングシステムに関連するネイティブコードを呼び出すことにより、プログラム全体の機能を実現します。

上記は、JVM の主な実行プロセスとランタイムに関与するコンポーネントです。下文是对其中的运行时数据区的详细介绍。

2. 仮想マシンスタック (スレッドプライベート)

仮想マシンスタックは Java スレッド専用のメモリ領域であり、スレッドのメソッド呼び出しやローカル変数などの情報を保存するために使用されます。仮想マシンスタックのライフサイクルは、スレッドのライフサイクルと同じです。仮想マシンスタックは、Java メソッド実行のメモリモデルを記述します。

各メソッドが実行されると、ローカル変数テーブル、オペランドスタック、ダイナミックリンク、メソッド出口などの情報を格納するスタックフレーム(Stack Frame)が作成されます。
メソッドが終了すると、対応するスタックフレームもスタックをポップすることによって破棄されます。

仮想マシンスタックは主に次の 4 つの部分で構成されます。

ローカル変数テーブル:メソッドのローカル変数を保存するために使用されます。Javaメソッドが実行されると、メソッドパラメータやメソッド内で定義されたローカル変数を格納するためのメモリ領域が割り当てられます。ローカル変数テーブルのサイズはコンパイル中に決定され、格納されるデータ型には基本データ型とオブジェクト参照が含まれます。
操作スタック:メソッドの実行時に操作を計算するために使用されます。Java 仮想マシンのバイトコード命令は通常、オペランドスタックに基づいています。メソッドが呼び出されると、パラメータ値と戻り値がオペランドスタックにプッシュされ、メソッドが実行されると、バイトコード命令が計算のためにオペランドスタックから値をフェッチします。
ダイナミックリンク:実行時定数プール内でスタックフレームが属するメソッドへの参照を指すために使用されます。Java 仮想マシンの実行時定数プールには、各クラスのメソッドのシンボリック参照が格納され、ダイナミックリンクはこれらのシンボリック参照を実際のメモリアドレスに関連付けます。
メソッド戻りアドレス:メソッドの戻りアドレスを示すために使用されます。メソッドの実行が完了したら、どこで実行を継続するかを知る必要があり、メソッドの戻りアドレスは戻り先のアドレスを記録するために使用されます。

プライベートスレッドとは:

スレッドプライベートとは、マルチスレッド環境において、各スレッドが独自の独立したメモリ領域を持ち、他のスレッドがこの領域に直接アクセスしたり変更したりできないことを意味します。スレッド専用メモリ内のデータはスレッドごとに独立しており、互いに影響を与えません。この設計により、各スレッドが独立して実行され、独自のデータを維持しながら、マルチスレッドプログラムを同時に実行できるようになります。

JVM では、虚拟机栈、本地方法栈、は程序计数器スレッドプライベートメモリ領域です。各スレッドには、メソッドの呼び出しと実行をサポートするための独自の仮想マシンスタックとローカルメソッドスタックがあり、これらのスタックのデータは他のスレッドからは見えません。プログラムカウンタもスレッドプライベートであり、各スレッドには独自のプログラムカウンタがあり、現在のスレッドによって実行されるバイトコード命令のアドレスまたはインデックスを示すために使用されます。スレッドが切り替わると、プログラムカウンタの値が保存および復元され、スレッドが切り替わった後もスレッドが正しく実行を継続できるようになります。

堆およびなどの他の共有メモリ領域は方法区（元空间）スレッドによって共有されます。ヒープは Java オブジェクトのインスタンスと配列を格納するために使用され、メソッド領域はクラス構造情報、定数プール、静的変数などを格納するために使用されます。複数のスレッドがヒープおよびメソッド領域内のデータに共同でアクセスできるため、マルチスレッド環境では、共有データの一貫性と正確性を保護するために同期メカニズムが必要です。

メモリ領域はスレッドのプライベートと共有によって分割されます。

3. ローカルメソッドスタック（スレッドプライベート）

ネイティブメソッドスタックは仮想マシンスタックに似ており、Java スレッド専用のメモリ領域でもあります。Java プログラムがネイティブメソッド (ネイティブメソッド) を呼び出して実行することをサポートするために使用されます。ネイティブメソッドは、他の言語 (C、C++ など) で記述されたメソッドであり、ネイティブメソッドインターフェイス (JNI、Java Native Interface) を通じて Java コードと対話します。ネイティブメソッドスタックと仮想マシンスタックも機能は似ていますが、それぞれ Java メソッドとネイティブメソッドの呼び出しに使用されます。

4. メソッド領域（メタデータ領域）

メソッド領域は、 Java スレッドによって共有されるメモリ領域であり、クラス、定数プール、静的変数、ジャストインタイムコンパイラによってコンパイルされたコードなどの構造情報を格納するために使用されます。JDK 8 以前のバージョンでは、メソッド領域はです永久代（Permanent Generation）。一方、JDK 8 以降のバージョンでは、メソッド領域はに置き換えられます元空间（Metaspace）。メソッド領域のサイズは、JVM起動時のパラメータで設定できます。

「Java仮想マシン仕様」では、この領域を「メソッド領域」と呼び、HotSpot仮想マシンの実装では、この領域をJDK 7ではPermanent Generation(Permanent Generation)、JDK 8ではMetaspace(メタスペース)と呼んでいます。。

JDK 1.8 メタスペースの変更点:

HotSpot の場合、JDK 8 メタスペースのメモリはローカルメモリに属するため、メタスペースのサイズは JVM の最大メモリのパラメータの影響を受けなくなり、ローカルメモリのサイズに関係します。
JDK 8 では、文字列定数プールがヒープに移動されました。

ランタイム定数プール:

ランタイム定数プール (Runtime Constant Pool) はメソッド領域の一部であり、コンパイル中に生成されるさまざまなリテラルおよびシンボリック参照を格納するために使用されます。これは、クラスのロードプロセス中に、バイトコードファイル内の定数プールテーブルに従って仮想マシンによって構築されます。

ランタイム定数プールには、主に 2 種類のデータがあります。

リテラル:
- 文字列リテラル: Java プログラムに直接書き込まれた文字列値 (例: "Hello, Java")。JDK 8 では、文字列リテラルはヒープに移動されるため、ガベージコレクションも実行でき、一部のメモリの問題が回避されます。
- final定数: コンパイル中に決定できる定数final。例: final int MAX_VALUE = 100;。
- 基本データ型の値: 例: 整数、浮動小数点数、文字などの基本データ型のリテラル。
シンボリック参照:
シンボリック参照はコンパイル中に生成されるデータ構造ですが、参照先のターゲットを記述するためにクラスの読み込みフェーズ中に使用する必要があります。シンボリック参照には次のものが含まれます。
- クラスとインターフェイスの完全修飾名: 例: java.lang.String。
- フィールド名と記述子: フィールドの名前とデータ型を説明するために使用されます。例: int count。
- メソッド名と記述子: メソッド名、パラメータリスト、戻り値のタイプを説明するために使用されます。例: void print(String message)。

実行時定数プールは、クラスがロードされた後にメソッド領域に格納され、クラスのライフサイクル全体にわたって存在し、クラス自体とともにリサイクルされます。定数プール分析、動的リンク、プログラム実行時のメソッド呼び出しなどの機能を提供し、Java プログラムの実行に必要なサポートを提供します。

5. ヒープ (スレッド共有)

ヒープ (Heap) は、Java オブジェクトのインスタンスと配列を格納するための Java 仮想マシン内の実行時データ領域です。ヒープはJVM 内の最大のメモリ領域であり、すべてのスレッドによって共有される唯一のメモリ領域です。

Java プログラムの実行中、newキーワードを使用してオブジェクトを作成すると、オブジェクトインスタンスがヒープに割り当てられます。同時に、配列はオブジェクトでもあるため、配列の要素もヒープに格納されます。ヒープのサイズは、JVM の起動時にパラメータで指定することも、動的に調整することもできます (サイズが指定されていない場合、JVM はシステムメモリに従って初期サイズを自動的に設定します)。

ヒープの主な機能は次のとおりです。

スレッド共有: ヒープは、すべてのスレッドによって共有されるメモリ領域です。すべてのスレッドはヒープ内のオブジェクトインスタンスにアクセスできるため、複数のスレッドがオブジェクトを共同で操作および共有できるようになります。
動的割り当てとリサイクル: プログラムの実行中にヒープのサイズを動的に調整できます。オブジェクトが作成されると、JVM は自動的にヒープ内にメモリ領域を割り当てます。ガベージコレクターは、オブジェクトが参照されなくなったときに、ヒープ内の未使用のオブジェクトのメモリを自動的に再利用します。
ガベージコレクション: ヒープ内のメモリはガベージコレクターによって管理されます。ガベージコレクターは、ヒープ内のオブジェクトを定期的にチェックし、参照されなくなったオブジェクトをガベージとしてマークし、これらのガベージオブジェクトのメモリを再利用して、他のオブジェクトが使用できるようにヒープに解放します。
自動メモリ管理: Java のヒープメモリは JVM によって自動的に管理されるため、プログラマが手動でメモリを解放する必要はありません。JVM はガベージコレクションを自動的に実行して未使用のメモリを解放し、メモリリークなどの問題を回避します。

さらに、Java 仮想マシンのヒープメモリは、通常、新生代（Young Generation）との老生代（Old Generation）2 つの主要な領域に分割されます。

若い世代:
若い世代は、新しく作成されたオブジェクトが保存される領域です。新しい世代では、ヒープメモリは通常、1 つの Eden スペースと 2 つの Survivor スペース (通常は S0 および S1 と呼ばれます) に分割されます。新しく作成されたオブジェクトは、最初に Eden 空間に割り当てられます。Eden スペースがいっぱいになると、マイナー GC (Young GC) がトリガーされ、ガベージコレクターは Eden スペースとその中に残っているオブジェクトを未使用の Survivor スペースにコピーします。次に、ガベージコレクターは使用中の Eden スペースと Survivor スペースをクリアし、その中のガベージオブジェクトをリサイクルします。生き残ったオブジェクトは古い世代に昇格されます。
Old Generation (Old Generation) :
Old Generation は、長期間存続するオブジェクトを格納する領域です。古い世代に格納されたオブジェクトは、通常、新しい世代で一定数のマイナー GC が発生した後も存続するオブジェクト、つまりラージオブジェクトです。古い世代のスペースがいっぱいになると、メジャー GC (フル GC) がトリガーされ、ガベージコレクターは新しい世代と古い世代のすべてのオブジェクトを含むヒープ全体をリサイクルします。

ヒープメモリを新世代と旧世代に分割し、異なるガベージコレクション戦略を採用することで、ガベージコレクションの効率を向上させることができます。若い世代のマイナー GC は、ライフサイクルの短いオブジェクトをリサイクルしてメモリをできるだけ早く解放するために頻繁に実行されますが、古い世代のメジャー GC は、ライフサイクルの長いオブジェクトをリサイクルする頻度が比較的低く、安定性を確保します。古い世代と信頼性。

6. プログラムカウンター（スレッドプライベート）

プログラムカウンタは、Java スレッド専用のメモリ領域でもあります。これは、現在のスレッドが何を実行しているかを示すインジケーターです字节码指令的地址或索引。Java スレッドが切り替わると、プログラムカウンタの値が保存および復元され、スレッドが切り替わった後もスレッドが正しく実行を継続できるようにします。

【JVM】 (1) JVMランタイムデータ領域の深い理解

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