Исследование процессов внутри виртуальной машины Java

В статье подробно описываются процессы виртуальной машины Javа, на что выделяется память, как устроена JVM, как в нее попадает код и как он исполняется.

Ключевые слова: java, JVM, класс, виртуальная машина, загрузчик классов, память, операционная система, сборка мусора, спецификация.

Java — не просто язык программирования, а целая программная платформа с широкими возможностями. Основная особенность данного языка является в том, что компилятор выдает не машинный код, а так называемый байт-код — оптимизированный набор инструкций, интерпретируемый в среде виртуальной машины Java (Java Virtual Machine — JVM). Трансляция программы Java в байт-код значительно упрощает её выполнение на различных аппаратных и программных платформах, поскольку в каждой среде требуется реализовать только виртуальную машину JVM [1].

JVM — это виртуальная машина, которая запускает Java-программы в портативном режиме. Виртуальная машина означает, что JVM является абстракцией фактической машины, такой как сервер, на которой работают программы. Независимо от операционной системы или технического обеспечения, JVM создает предсказуемую среду для запускаемых внутри нее программ. Однако, в отличие от настоящей виртуальной машины, JVM не создает виртуальную операционную систему. Говоря о JVM, обычно имеют ввиду процесс, запущенный на устройстве, который предоставляет и контролирует использование ресурсов Java приложением. Спецификация JVM описывает требования для разработки программ, выполняющих эти задачи.

У JVM есть три составляющих:

1) Спецификация. Первая часть JVM — спецификация программного обеспечения, в которой не определены детали реализации JVM, чтобы обеспечить максимальную свободу творчества при ее создании. Таким образом, все что JVM должна делать, это корректно запускать Java программы;

2) Реализация. Реализация спецификации JVM — это готовая JVM. Существует множество различных реализаций JVM как коммерческих, так и с открытым исходным кодом. JVM HotSpot от проекта OpenJDK является эталонной реализацией и содержит наиболее тщательно проверенную в мире кодовых баз. HotSpot также является самой широко используемой JVM.

Почти все лицензированные JVM созданы, как ответвление от OpenJDK и HotSpot JVM, включая лицензионный JDK от Oracle. Разработчики, создающие лицензированные продукты на основе OpenJDK, зачастую мотивируются желанием увеличить производительность для определенных операционных систем. Обычно пользователи загружают и устанавливают JVM, как часть среды выполнения Java (JRE).

На момент написания данной статьи, самой лучшей реализацией считается GraalVM [7], благодаря его JIT-компилятору, который также написан на Java (а не на С++, как у аналогичных решений). Это позволяет добиться более быстрого оперирования байтами (без конвертирования в Си-подобный синтаксис, и обратно).

3) Экземпляр. После того, как спецификация JVM реализована и выпущена, как программное обеспечение, её можно загрузить как приложение. Загруженная программа является экземпляром виртуальной машины. У JVM можно запрашивать потребление памяти на сервере, ограничивать её в ресурсах, анализировать логи и т. д.

Наиболее частым действием JVM является проверка использования памяти в куче (heap) и стеке (stack). До Java вся память программы управлялась программистом. В Java же память программ управляется с помощью JVM через процесс, названный сборкой мусора (garbage collector, или, сокращенно — GC), который непрерывно определяет и устраняет неиспользуемую память. Весь процесс происходит внутри работающей JVM.

Зарезервированная память (иногда её называют memory spaces или memory pools) состоит из 5 областей:

1) Eden Space (heap) — в этой области выделятся память под все создаваемые из программы объекты. Большая часть объектов живет недолго (итераторы, временные объекты, используемые внутри методов и т. п.), и удаляются при выполнении сборок мусора это области памяти, не перемещаются в другие области памяти. Когда данная область заполняется (т. е. количество выделенной памяти в этой области превышает некоторый заданный процент), GC выполняет быструю (minor collection) сборку мусора. По сравнению с полной сборкой мусора она занимает мало времени, и затрагивает только эту область памяти — очищает от устаревших объектов Eden Space и перемещает выжившие объекты в следующую область;

2) Survivor Space (heap) — сюда перемещаются объекты из предыдущей, после того как они пережили хотя бы одну сборку мусора. Время от времени долгоживущие объекты из этой области перемещаются в Tenured Space;

3) Tenured (Old) Generation (heap) — здесь скапливаются долгоживущие объекты (крупные высокоуровневые объекты, объекты-одиночки (singleton), менеджеры ресурсов и проч.). Когда заполняется эта область, выполняется полная сборка мусора (full, major collection), которая обрабатывает все созданные JVM объекты;

4) Permanent Generation (stack) — в данной области хранится метаинформация, используемая JVM (используемые классы, методы и т. п.);

5) Code Cache (stack) — эта область используется JVM, когда включена JIT-компиляция, в ней кэшируется скомпилированный платформенно-зависимый код.

Загрузка файлов вJVM

Загрузчик классов Java является частью JVM, которая загружает классы в память и делает их доступными для выполнения. Загрузчики классов используют технику отложенной загрузки (lazy-loading) и кэширования, чтобы сделать загрузку классов максимально эффективной.

В Java используется модель делегирования загрузки классов. Основная идея состоит в том, что у каждого загрузчика классов есть «родительский» загрузчик (один, и только один). Когда происходит загрузка класса, то загрузчик «делегирует» поиск класса своему родителю, перед тем как искать класс самостоятельно. Однако, класс загружается тем загрузчиком, который ближе всего к корню, поскольку право первому загрузить класс всегда предоставляется загрузчику-родителю. Это позволяет загрузчику видеть только классы, загруженные самостоятельно, его родителем или предками. Он не может видеть классы, загруженные дочерними загрузчиками.

1) Bootstrap Class Loader — базовый загрузчик. Загружает платформенные классы. Он является родителем всех остальных классов и частью платформы;

2) Extension Class Loader — загрузчик расширений, потомок Bootstrap-загрузчика. Загружает классы расширений, которые по умолчанию находятся в каталогах jre, lib, ext;

3) Application Class Loader — системный загрузчик классов из classpath, который является непосредственным потомком Extension Class Loader’a. Он загружает классы из каталогов и jar-файлов, указанных переменной среды CLASSPATH, системным свойством java.class.path или параметром командной строки -classpath;

4) Собственный загрузчик — разработчик приложения может создать собственные загрузчики.

Модель делегирования загрузчиков классов представляет собой граф загрузчиков, которые передают друг другу запросы на загрузку. Корнем в этом графе является Bootstrap-загрузчик.

Загрузчик классов сначала проверяет, не загружался ли данный класс ранее. Если это так, то возвращается тот же класс, который возвращался в прошлый раз (класс, хранящийся в кэше). Если нет, то возможность загрузить класс предоставляется родителю. Эти два шага повторяются рекурсивно в глубину. Если родитель возвращает null (или бросает исключение ClassNotFoundException), тогда загрузчик ищет класс самостоятельно.

Подсистема загрузчика классов отвечает не только за поиск и импорт бинарных данных класса, но и выполняет проверку правильности импортируемых классов, выделяет и инициализирует память для переменных класса, помогает в разрешении символьных ссылок. Эти действия выполняются в следующем порядке:

1. Загрузка (loading)— поиск и импорт бинарных данных для типа по его имени, создание класса или интерфейса из этого бинарного представления;
2. Связывание (linking) — выполнение верификации, подготовки и, необязательного, разрешения:
   1. Верификация (verification)— проверка корректности импортируемого типа;
   2. Подготовка (preparation)— выделение памяти для статических переменных класса и инициализация памяти значениями по умолчанию;
   3. Разрешение (resolution)— преобразование символьных ссылок типов в прямые ссылки;
3. Инициализация (initialization)— вызов Java-кода, который инициализирует переменные классы их правильными начальными значениями.

Внутреннее содержимое любого файла срасширением class

Рис. 1. Процесс компиляции исходного кода Java

Внутри специальных бинарных файлов содержится следующая информация [6]:

1) Идентификация. Первые 4 байта всегда содержат значение 0xCAFEBABE, что позволяет идентифицировать виртуальной машине данный файл, относящийся к Java (рис. 2);

Рис. 2. Байт-код скомпилированного файла с указанием на идентификатор

2) Версия файла. Следующие 4 байта содержат мажорную и минорную версию файла (по 2 байта соответственно). Вместе эти номера определяют версию *.class-файла. Если файл имеет основную мажорную версию M или минорную m, то система обозначает эту версию как M.m (рис. 3). Например, Java 8 поддерживает major-версию с 45 (0x2D hex) до 52 (0x34 hex);

Рис. 3. Байт-код скомпилированного файла с указанием на данные о версии

3) Пул констант. Далее располагается информация, представляющих строковые константы, имена классов и интерфейсов, полей, методов, и другие константы, которые есть в структуре *.class-файла и его подструктурах. Каждый элемент пула констант начинается с однобайтового тега, определяющего тип константы;

4) Флаги доступа. Список флагов, которые указывают тип файла (класс, интерфейс и т. д.), область видимости (public, private, и т. д.). Различные флаги, такие как ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_INTERFACE, ACC_ENUM и т. д. описаны в спецификации Java Virtual Machine Specification [5];

5) Thisclass. Ссылка на запись в пуле констант;

7) Интерфейсы. Количество интерфейсов, реализованных классом;

8) Количество полей. Количество полей в классе или интерфейсе;

9) Поля. После количества полей следует таблица структур переменной длинны. По одной для каждого поля с описанием типа поля и названия (со ссылкой на пул констант);

10) Количество методов. Количество методов в классе или интерфейсе. Это число включает только методы, которые явно определены в классе, без методов, унаследованных от суперклассов;

11) Методы. Далее находятся сами методы. Для каждого метода содержится следующая информация: дескриптор метода (тип возвращаемого значения и список аргументов), количество слов, необходимых для локальных переменных метода, максимальное количество слов стека, необходимых для стека операндов метода, таблицу исключений, перехватываемых методом, байт-коды метода и таблица номеров строк;

12) Количество атрибутов. Количество атрибутов в этом классе, интерфейсе, модуле;

13) Атрибуты. После количества атрибутов следуют таблицы или структуры переменной длинны, описывающие каждый атрибут. Например, всегда есть атрибут «SourceFile». Он содержит имя исходного файла, из которого был скомпилирован class-файл.

Литература:

1. Николаев В. В., Манеев К. И. АСПЕКТЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОГРАММИРОВАНИИ НА ЯЗЫКЕ JAVA // Наука вчера, сегодня, завтра: сб. ст. по матер. XLVIII междунар. науч.-практ. конф. № 7(41). — Новосибирск: СибАК, 2017. — С. 11–15.
2. Matthew Tyson. What is the JVM? Introducing the Java Virtual Machine // JavaWorld. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.javaworld.com/article/3272244/what-is-the-jvm-introducing-the-java-virtual-machine.html.
3. Prateek Saini. Java Virtual Machine (JVM) Internals, Part 1 — Classloader // Medium — Get smarter about what matters to you. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://medium.com/javarevisited/java-virtual-machine-internals-class-loader-eea706eb37d9.
4. Prateek Saini. Java Virtual Machine (JVM) Internals, Part 2 — Class file format // Medium — Get smarter about what matters to you. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://medium.com/javarevisited/java-virtual-machine-jvm-internals-part-2-class-file-format-7752e5f7dbbe.
5. Tim Lindholm, Frank Yellin, Gilad Bracha, Alex Buckley. The Java® Virtual Machine Specification. Java SE 8 Edition [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html.
6. Java class File // Wikipedia [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Java_class_file.
7. URL: https://www.graalvm.org/docs/