Java Virtual Machine (или JVM) – это виртуальная машина, которая является основной частью исполняющей Java-системы (Java Runtime Environment или JRE). Этот элемент очень полезен, особенно для современной разработки. Связано это с тем, что до появления JVM программисты сталкивались с одной серьезной проблемой – им приходилось думать, на какой операционной системе (ОС) и архитектуре процессора будет запускаться исходное приложение. Его код был наполнен директивами условной компиляции. Также разработчики иногда избегали такого приема путем написания отдельных версий программного обеспечения для каждой операционной системы отдельно.
Некоторые проблемы возникали у программ с GUI – коды графических элементов для различных операционных систем были абсолютно разными. Это связано с тем, что почти все приложения до появления виртуальной машины Java были написаны на C++ или C. Эти языки сильно близки к «железу» компьютера, поэтому в процессе разработки приходилось учитывать процессорную архитектуру и тип операционной системы. С кроссплатформенными программами возникали проблемы – их попросту не было.
Java JVM серьезно исправила ситуацию, облегчив работу программистам. Далее предстоит познакомиться с этим компонентом более детально. Требуется не просто разобраться, что собой представляет виртуальная машина, но и выяснить, для каких целей она используется. Также необходимо рассмотреть эволюцию JVM, ее основные составляющие и будущие перспективы. Соответствующая информация пригодится как начинающим разработчикам, так и более опытным программистам.
Определение
Java JVM – это программа, которая разработана для выполнения и запуска других приложений на Java. Она также может быть использована для работы с программным обеспечением, написанным на других языках.
В основе JVM заложена простая идея, которая будет всегда одним из наглядных примеров кодирования в стиле «Кунг-Фу». Виртуальная машина будет исполнять байт-код Java, который был предварительно создан из исходного текста Java-программы компилятором (javac).
Это – ключевой элемент Java-платформы. Виртуальная машина может быть рассмотрена в качестве связующего программного обеспечения и самостоятельной платформы. Использование одного и того же байт-кода для различных операционных систем позволяет описать Java как “Скомпилировать единожды – запускать везде”.
Области применения
Что такое виртуальная машина Java, понятно. Теперь необходимо рассмотреть области применения соответствующего элемента.
JVM обладает несколькими ключевыми функциями:
- Дает возможность запускать программы, написанные при помощи Java, на любых устройствах и операционных системах.
- Оптимизирование и управление памятью, которая используется для работы того или иного программного обеспечения.
До 1995 года (тогда и появилась JVM) все приложения писались для конкретной операционной системы. Памятью управлял разработчик того или иного программного обеспечения. JVM стала революционным открытием на рынке.
Для рассматриваемого компонента существуют несколько определений – обычное и техническое:
- Обычное определение: это способ запуска Java-приложений. Необходимо настроить параметры виртуальной машины, а затем обеспечить автоматическое управление ресурсами во время выполнения программного обеспечения.
- Техническое определение: это программа, которая выполняет тот или иной код, а также предоставляет среду его выполнения.
Разработчики обычно подразумевают под JVM процесс, который выполняется на устройстве, особенно на серверах – он занимается управлением и контролем использования ресурсов Java-программами.
JVM активно разрабатывается и используется очень сильными программистами в качестве корпоративного программного обеспечения и программы с открытым исходным кодом. OpenJDK – это проект, который является потомком решений компании Sun Microsystems для open-source версии Java. Сейчас его развитием занимается Oracle и некоторые другие IT-организации.
Сборка мусора
Java JVM управляет памятью при помощи процесса, называемого сборкой мусора. Он встречается в некоторых языках программирования. Сборщик мусора непрерывно определяет и удаляет неиспользуемую память в приложении. Соответствующий процесс осуществляется внутри работающей виртуальной машины.
В самом начале существования Java подвергалась огромной критике – язык был не слишком быстрым. Особенно спорным вопросом стал сборщик мусора. С тех пор развитие Java позволило сделать язык программирования более быстрым и функциональным. Это положительно сказалось на улучшении и оптимизации сборки мусора.
Ключевые составляющие JVM
Виртуальная машина Java состоит из нескольких ключевых составляющих:
- спецификация;
- реализация;
- экземпляр.
Далее эти компоненты будут рассмотрены более подробно. Соответствующая информация пригодится тем, кто хочет разобраться в принципах и особенностях работы виртуальной машины.
Спецификация
Это первая часть JVM. В ней отсутствует четкое определение реализации виртуальной машины. За счет соответствующего приема удается добиваться максимальной свободы творчества в процессе ее формирования.
Для грамотной реализации виртуальной машины необходимо уметь читать class-файлы, а также грамотно выполнять прописанные в них операции.
От Java JVM требуется лишь одно – это грамотный и правильный запуск Java-приложений. Изначально соответствующие задачи могут показаться элементарными, но они на самом деле являются крупными (масштабными), особенно если принимать во внимание мощность и гибкость Джавы.
Реализация
Реализация спецификации приводит к созданию настоящей программы, которая является реализацией виртуальной машины. Существует очень много разнообразных реализаций спецификации: как коммерческих, так и бесплатных (с открытым исходным кодом).
В качестве примера можно привести HotSpot .JVM от OpenJDK. Это – эталонная реализация. Она включает в себя одну из самых проверенных и стабильных в мире кодовых баз. HotSpot – это еще и широко используемая виртуальная машина.
Почти все JVM созданы в виде ответвлений от OpenJDK и HotSpot, включая лицензионный JDK от компании Oracle. Разработчики, занятые созданием лицензированных продуктов на базе OpenJDK, обычно стремятся увеличивать производительность своих проектов для определенных операционных систем. Пользователи загружают и устанавливают виртуальные машины Java в качестве части среды выполнения упомянутого языка программирования.
Экземпляр
После реализации спецификации JVM и ее выпуска в виде отдельной (самостоятельной) программы, можно загрузить соответствующее обеспечение в качестве приложения. Это и есть экземпляр виртуальной машины.
Когда разработчики говорят о JVM, обычно подразумевается ее экземпляр, работающий в среде разработки.
Спецификацией программного обеспечения является понятный человеку проектный документ. Он описывает принципы работы той или иной программной системы. Целью спецификации является создание четкого описания и требований к кодам для программистов.
Работа с class-файлами
Работа виртуальной машины напрямую зависит от загрузчика классов и механизмов выполнения. Далее эти два компонента будут рассмотрены более подробно. Они позволяют работать с class-файлами.
Загрузчик классов
В Java все является классом. Сюда входят как классы языка, так и все созданное с помощью него приложение. Любая программа Java может включать в него один или множество классов.
Для запуска такого программного обеспечения JVM должна осуществить загрузку скомпилированных class-файлов в контекст. Примером может послужить сервер, на котором соответствующие элементы будут доступны. Java Virtual Machine зависит от своего загрузчика класса для корректного выполнения этой функции.
Загрузчик классов Java – часть его Virtual Machine. Он:
- загружает имеющиеся классы в память;
- делает классы Java доступными для выполнения (реализации).
Загрузчик классов использует технику lazy-loading (ленивая загрузка) и кэширование для того, чтобы загрузка классов оказалась максимально эффективной. Использование соответствующих методов – это достаточно простой процесс.
Каждая виртуальная машина упомянутого языка разработки включает в свой состав загрузчики классов. Спецификация Java Virtual Machine описывает стандартные методы для запроса и управления соответствующим элементом в процессе работы. Также за реализацию упомянутых возможностей отвечает конкретная реализация JVM. Для разработчика механизмы, лежащие в основе загрузчика классов, обычно представлены в виде «черного ящика».
Механизм выполнения
Когда загрузчик классов завершает свою работу, Java JVM начинает выполнять код каждого имеющегося класса. Механизм выполнения – это компонент виртуальной машины, который отвечает за обработку функций. Он нужен для корректной работы любой Java Virtual Machine.
Выполнение кода включает в себя управление доступом к системным ресурсам. Механизм выполнения виртуальной машины располагается между операционной системой и работой приложения с ее запросами на:
- файловые ресурсы;
- ресурсы памяти;
- сетевые ресурсы.
Под операционной системой принято подразумевать систему, которая предоставляет соответствующие ресурсы устройства.
Управление ресурсами системы
Системные ресурсы могут быть условно разделены на несколько крупных категорий:
- память;
- все остальные имеющиеся ресурсы.
JVM отвечает за очистку памяти, которая не используется, а сборщик мусора – это некоторый механизм, который осуществляет соответствующую операцию. Виртуальная машина также отвечает за распределение и поддержку ссылочных структур. В качестве примера можно упомянуть, что механизм выполнения Java JVM отвечает за то, что при использовании ключевого слова new осуществляется запрос к операционной системе на выделение памяти.
Кроме памяти, механизм выполнения отвечает за управление ресурсами сети и файловой системы. Это достаточно сложная задача из-за того, что Virtual Machine работает с самыми разными ОС. Кроме потребностей каждого приложения в ресурсах, механизм выполнения должен корректно функционировать с каждой операционной системой.
Перспективы JVM
Java JVM стала революцией в концепциях разработки 1995 года. Этот элемент сформировал новый стандарт, который используется до сих пор – «Написать один раз, использовать везде». Также соответствующая разработка позволила автоматически управлять памятью. В 1995 году совместимость программного обеспечения была новой и смелой концепцией. Сейчас же это – норма. То же самое касается автоматического сборщика мусора.
JVM стала неотъемлемой частью современной разработки. Программисты со временем усовершенствовали ее и развили идеи на последующие десятилетия. Изначально виртуальная машина работала только на Джаве, но сейчас она поддерживается огромным количеством разнообразных языков, включая Kotlin, Scala, Groovy.
С прогнозированием будущего виртуальной машины ситуация обстоит неоднозначно. Сейчас это незаменимая часть разработки различного программного обеспечения. И в ближайшее время полноценной замены рассмотренному элементу не предвидится.
Конкуренты JVM
Наиболее известный конкурент Java Virtual Machine – это платформа .NET и ее виртуальная машина для реализации языка C#.
В начале 2000-х годов компания Microsoft создала собственную виртуальную машину Джава – Microsoft J++. Из-за несоблюдения спецификации Sun подала на Майкрософт судебный иск. Известный производитель Windows OS проиграла все слушания и лишилась права делать виртуальные машины для Джавы. Некоторые эксперты полагают, что именно это привело к созданию C#.
Java и C# – инструменты разработки, решающие одни и те же задачи. У них также одинаковые преимущества:
- строгая типизация;
- наличие сборщика мусора;
- высокий уровень безопасности.
Между соответствующими платформами была принципиальная разница. Она заключается в кроссплатформенности. Java – это кроссплатформенный инструмент, а .NET и C# – нет, они работали только на Windows. С момента появления .NET Core, C# тоже стал мультиплатформенным.
Ветви развития JVM
Java может получить несколько новых проектов, которые на данный момент активно развиваются. Речь идет о:
- Loom. Это проект по добавлению виртуальных тредов в Джаву. С ним соответствующие компоненты существуют «сами по себе». Loom имеет особое значение для микросервисов и серверов с огромным количеством одновременных подключений.
- Panama. Еще один проект, посвященный JVM. Он отвечает за взаимодействие Java с нативными кодами, написанными на C и C++. Здесь предложен совершенно новый интерфейс и его оптимизация реализации на стороне JVM. С помощью этих особенностей будет удобно, приятно и безопасно работать с нативным кодом.
- Valhalla. Еще один проект, посвященный Java и введению в него новых объектов – value-типов или inline-типов. Они также называются primitive-value-типами. Проект настолько сложный, что даже его ключевая концепция часто переименовывается. Смысл Valhalla заключается в том, чтобы выделить подкласс объектов, у которых нет identity. Данный проект должен предоставлять пользователям самостоятельно описывать классы, у которых отсутствует identity, а также подготавливать к этому уже существующую типовую систему.
Теперь понятно, что собой представляет Java JVM. Лучше изучить соответствующий язык и его виртуальную машину помогут дистанционные компьютерные курсы.
Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus!
