Java Virtual Machine（JVM）とは何ですか？内部でどのように機能しますか？

Java Virtual Machine（JVM）とは何ですか？内部でどのように機能しますか？

Java Virtual Machine（JVM）は、コンピューターがJavaプログラムを実行できるようにするJavaランタイム環境（JRE）の重要なコンポーネントです。 JVMはプラットフォームに依存しているため、JVMの実装があるデバイスまたはオペレーティングシステムでJava Bytecodeを実行できます。 JVMは、Java Bytecodeと基礎となるハードウェアの間の仲介者として機能し、さまざまなプラットフォームでの再コンパイルを必要とせずにJavaアプリケーションを実行できるようにします。

内部的には、JVMはいくつかの重要なフェーズで動作します。

1. 読み込み： Javaプログラムが実行されると、JVMは最初にByteCodeを含む.classファイルをロードします。クラスローダーサブシステムは、これらのファイルをメモリにロードする責任があります。
2. 検証：ロードされると、BytecodeはJavaのセキュリティまたは整合性の制約に違反しないことを確認するために検証されます。このステップは、悪意のあるコードが実行されないようにするのに役立ちます。
3. 準備：このフェーズでは、JVMはクラス変数にメモリを割り当て、デフォルト値に初期化します。
4. 解決策：これには、コードから直接参照への象徴的な参照を解決することが含まれます。 JVMは、このフェーズ中に追加のクラスをロードする必要がある場合があります。
5. 初期化：静的変数の実際の初期化と静的初期化イザーブロックの実行は、このフェーズで発生します。
6. 実行： JVMは、実行エンジンを使用してバイトコード命令を実行します。実行エンジンは、通訳とジャストインタイム（JIT）コンパイラで構成できます。通訳はバイトコード命令を1つずつ読み取り、実行しますが、JITコンパイラはバイトコードをネイティブマシンコードに変換して、より速い実行します。
7. ガベージコレクション： JVMはメモリの割り当てと取引を管理し、もはや必要とされていないメモリがガベージコレクションを通じて回収されるようにします。

JVMとその機能の重要なコンポーネントは何ですか？

JVMはいくつかの重要なコンポーネントで構成されており、それぞれが特定の機能を提供します。

1. クラスローダーサブシステム：このコンポーネントは、クラスとインターフェイスの読み込み、リンク、および初期化を担当します。階層的なアプローチを使用して、さまざまなソース（ローカルファイルシステム、ネットワークの場所）からクラスをロードします。

2. ランタイムデータ領域（メモリエリア）：これには、プログラムの実行中に使用されるいくつかのメモリ領域が含まれます。

   • メソッドエリア：ランタイム定数プール、フィールド、メソッドデータなどのクラス構造を保存します。
   • ヒープエリア：オブジェクトを保存し、すべてのスレッド間で共有されます。
   • スタックエリア：ローカル変数と部分的な結果が保存されるフレームが含まれています。各スレッドには独自のスタックがあります。
   • PCレジスタ：スレッドで実行されている現在の命令のアドレスを保持します。
   • ネイティブメソッドスタック：スタックエリアに似ていますが、ネイティブメソッドに使用されます。

3. 実行エンジン：このコンポーネントは、バイトコード命令を実行します。それは以下を含みます：

   • 通訳者： Bytecode 1つの命令を一度に実行します。
   • Just-in-Time（JIT）コンパイラ：バイテコードをネイティブマシンコードにコンパイルして、実行を速くします。
   • ガベージコレクター：使用されなくなったオブジェクトを取り戻すことにより、メモリを管理します。
4. Java Native Interface（JNI）： Javaコードは、C、C、アセンブリなどの他の言語で書かれたネイティブアプリケーションおよびライブラリによって呼び出して呼び出すことができます。
5. ネイティブメソッドライブラリ： JVMがネイティブメソッドの実行をサポートするために必要なネイティブライブラリのコレクション。

JVMはどのようにメモリを管理し、ゴミコレクションを実行しますか？

JVMのメモリ管理には、ランタイムデータ領域、特にヒープとスタック内のメモリの割り当てと取引が含まれます。 JVMがメモリを管理する方法は次のとおりです。

1. メモリの割り当て：

   • スタックメモリ：ローカル変数とメソッドの呼び出しの詳細の保存に使用されます。メソッドが呼び出されて返されると、メモリが割り当てられ、自動的に扱われます。
   • ヒープメモリ：オブジェクトの保存に使用されます。メモリは、新しいオブジェクトが作成されたときに割り当てられ、参照されなくなるまで使用されています。

2. ゴミコレクション：

   • JVMは、参照されなくなったオブジェクトを識別および削除することにより、ゴミコレクションを使用してヒープメモリを自動的に管理します。プロセスには次のものが含まれます。

     • マークフェーズ：ガベージコレクターは、ルーツ（グローバル変数、スタック変数など）からすべての参照をトレースすることにより、どのオブジェクトが使用されている（到達可能）（到達可能）を識別します。
     • スイープフェーズ：ガベージコレクターは、マークフェーズのゴミとして識別されるオブジェクトで占められているメモリを取り戻します。
     • コンパクトフェーズ（オプション）：一部のガベージコレクターは、生存したオブジェクトを動かして自由空間を統合し、断片化を減らします。

   • 一般的なごみ収集アルゴリズムは次のとおりです。

     • シリアルGC：シングルスレッド環境に適しています。
     • 並列GC：ガベージコレクションに複数のスレッドを使用して、パフォーマンスを向上させます。
     • 同時マークスイープ（CMS）GC：アプリケーションスレッドと同時にその作業のほとんどを実行することにより、アプリケーションの一時停止を最小限に抑えます。
     • Garbage-First（G1）GC：大きなヒープメモリ領域のために設計され、一時停止時間とスループットのバランスを取ります。

JVMはJavaアプリケーションのパフォーマンスを改善するためにどのような最適化を適用しますか？

JVMは、Javaアプリケーションのパフォーマンスを改善するためにいくつかの最適化を適用します。

1. ジャストインタイム（JIT）コンピレーション：

   • JVMはJITコンパイルを使用して、ランタイム中にバイトコードをネイティブマシンコードに変換します。これにより、コンパイルされたコードが解釈されたbytecodeよりもはるかに速く実行されるため、パフォーマンスが大幅に向上します。

2. inlining：

   • JITコンパイラは、メソッド呼び出しのオーバーヘッドを減らすために、小さなメソッドを呼び出しメソッドにインライン化できます。この最適化は、特に頻繁に呼ばれる方法でパフォーマンスを大幅に改善できます。

3. ループの展開：

   • JITコンパイラは、ループ制御のオーバーヘッドを削減し、他の最適化を可能にするためにループを解除できます。これにより、単一のループ反復内でより多くのループイテレーションを実行することでパフォーマンスを向上させることができます。

4. 死んだコードの除去：

   • JITコンパイラは、実行されないコードを検出および削除し、コンパイルされたコードのサイズを縮小し、ランタイムパフォーマンスを改善できます。

5. エスケープ分析：

   • この手法は、オブジェクトをヒープの代わりにスタックに割り当てることができるかどうかを分析し、ガベージ収集の必要性を減らし、パフォーマンスを改善する可能性があります。

6. 適応最適化：

   • JVMは、アプリケーションのパフォーマンスを継続的に監視し、最適化戦略を動的に調整します。たとえば、頻繁に実行されたメソッドをネイティブコードにコンパイルすることができます。

7. プロファイルガイドの最適化：

   • JVMは、ランタイムプロファイリングデータを使用して、最適化の決定をガイドします。これには、アプリケーションの最も重要な部分に最適化の取り組みを集中させるための追跡方法の呼び出し頻度とブランチの予測が含まれます。

これらの最適化により、JVMは、実行中のコードの特定のランタイム特性とワークロードパターンに動的に適応することにより、Javaアプリケーションのパフォーマンスを大幅に向上させることができます。

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