O que é JVM?

A JVM (Java Virtual Machine) é uma máquina virtual que executa o bytecode gerado pelo compilador Java. Ela é responsável por executar o código Java em qualquer plataforma que tenha a JVM instalada.

Quando nos compilamos um arquivo .java, arquivos .class (que contém o byte-code) com os mesmos nomes das classes presentes em .java são gerados pelo compilador Java. A JVM é responsável por executar esses arquivos .class. A JVM é uma parte da JRE (Java Runtime Environment).

Componentes da JVM:

• Class Loader (Carregador de Classe)
• Run Time Data Area / JVM Memory (Areas de dados de tempo de execução)
• Execution Engine (Motor de Execução)
• Native Interfaces (Interfaces Nativas)
• Native Libraries (Bibliotecas Nativas)

Class Loader

As Class Loaders são responsavéis por carregar classes Java dinamicamente para a JVM durante o tempo de execução. Elas também são parte da JRE. Assim, a JVM não precisa saber sobre arquivos underlying ou arquivos do sistema em ordem para executar programas Java, graças ao Class Loader.

Ela é responsavél por três atividades:

• Loading (Carregamento)
• Linking (Vinculação)
• Initialization (Inicialização)

Loading

O Class Loader lê o arquivo .class, gera o código binário correspodente e salva as seguintes informações na memória da JVM chamada de method area (área de método):

• Nome da classe e seu imediato superclasse
• Se o .class é uma classe, interface ou enum
• Modificadores de acesso, métodos e variáveis de instância

Depois de carregar a classe, a JVM cria um objeto (único para cada) do tipo Class para representa-lo na memória heap. É um objeto do tipo java.lang.Class portanto é possível usa-lo para acessar os métodos e variáveis da classe. Obetem-se essa referência através do método getClass() da classe Object.

Linking

Desempenha três atividades:

• Verificação: Verifica se o arquivo está formatado corretamente e gerado por um compilador válido. Se não, obteremos a execeção de tempo de execução java.lang.VerifyError. Essa tarefa é feita pelo Bytecode Verifier.
• Preparação: A JVM aloca memória para variáveis estáticas e inicializa memória para valores padrão.
• Resolução (Opccional): Este é o processo de substituir referências simbólicas por referências diretas. Isso é feito procurando dentro da method area para localizar a entidade referenciada.

Initialization

Nesta fase todas as variavéis estáticas são atribuídas com seus valores definidos no código. Isso é executado de cima pra baixo na classe e de pai para filho na hierarquia de herança.

Há três tipos de Classes Loaders:

• Bootstrap Class Loader: Superclasse de Extension Class Loader. Toda implementação da JVM deve ter uma Bootstrap Class Loader. Ele carrega o arquivo rt.jar, no diretório JAVA_HOME/jre/lib, que contém toda as classes do Java Standard Edition como o pacote jav.lang, java.net, java.util ...
• Extension Class Loader: Este é o class loader filho do Bootstrap Class Loader e pai do System Class Loader. Ele carrega o arquivo jar localizado dentro do diretório JAVA_HOME/jre/lib/ext.
• System/Application Class Loader: Filho do Extension Class Loader. Isto carega as classes para o classpath. Por padrão, o classpath está definido com o diretorio atual, mas você consegue trocar usando "-cp" ou "-classpath".

Run Time Data Area / JVM Memory

Method Area

No method area, todas as informações em nivel de classe como nome, nome do pai, métodos e informações de variavéis etc, são armazenadas, incluindo variavéis estáticas. Há apenas um method area por JVM e é um recurso compartilhado.

Heap

Heap é o local onde todos os objetos são alocados. Há também uma por JVM e é um recurso compartilhado.

Stack

Para toda thread, a JVM cria uma stack em tempo de execução que é armazenada aqui.

A stack do Java armazena frames. Todo bloco da stack é chamado de stack frame (pilha de quadros) e armazena chamada de métodos. Todas as variavéis locais são armazenadas em seu frame correspondente.

Quando uma thread termina sua stack em tempo de execução é destruída pela JVM.

PC Registers

Program Counter (Contador de Programa) guarda o endereço da instrução atual de uma thread que está sendo executada. Cada thread tem seu PC.

Native Method Stack

Contém todos os métodos nativos usados na aplicação. Para cada thread um native methods é criado.

Execution Engine

Executa o .class. Lê linha por linha do byte-code, usa os dados e informações presentes na memória e executa instruções. Contém:

• Interpreter (Interpretador): Lê o byte-code e executa a instrução. A desvantagem é que toda vez que um método é chamado multiplas vezes ele é requerido.
• Compilador Just-in-Time (JIT): Isto é usado par aumentar a perfomance. O JIT compila partes do byte-code que tem funcionalidade similar ao mesmo tempo. Aqui, o termo "compilador" refere-se a um tradutor de instrução definida por uma JVM para instrução definida por uma CPU. O JIT aumenta a eficiência do interpretador, pois ele provê código nativo para que parte da reinterpretação em multiplas chamadas de método, não seja requirida.
• Garbage Collector (Coletor de lixo): Ele destrói objetos sem referência.

Native Interfaces

Java Native Interface é um framework que provê uma interface para comunicação com outras aplicações escritas em outras linguagens como C e C++.

Native Libraries

Coleção de bibliotecas nativas (C, C++) que são requiridas pelo motor de execução (Engine execution).

Referências

How JVM Works
JVM Architecture