JDK, JRE и JVM: как на самом деле устроена Java-платформа

После установки JDK и настройки переменной PATH команды java, javac и другие становятся доступны в командной строке. С их помощью можно компилировать исходный код и запускать Java-программы. Подробнее про эти команды читайте в статье «Компиляция и запуск Java-программ».

Традиционно первая программа на Java выводит на экран простую фразу. Как написать и запустить такую программу, описано в статье «Java с нуля: первая программа».

Теперь, когда мы разобрали JDK, перейдем к среде выполнения — JRE. Она отвечает за то, чтобы уже скомпилированная Java-программа могла запуститься и работать.

Термин «виртуальная машина» означает, что JVM выступает как программный слой между Java-программой и реальным компьютером. Разработчик компилирует исходный код в байт-код, а JVM выполняет этот байт-код по единым правилам на разных платформах. Благодаря этому Java-программа не привязана напрямую к конкретной ОС и может запускаться без изменения исходного кода, если для этой системы есть подходящая JVM.

Когда Java появилась в 1995 году, такой подход был значительным шагом вперед. Многие программы тогда приходилось собирать отдельно под конкретную ОС и аппаратную платформу, а в языках вроде C и C++ разработчик часто сам отвечал за управление памятью. JVM помогла решить обе проблемы: повысила переносимость программ и взяла на себя значительную часть работы с памятью.

У JVM есть несколько задач:

Термин JVM используют в трех связанных, но разных смыслах:

Спецификация JVM описывает требования к виртуальной машине Java. Она определяет формат .class-файлов, набор инструкций байт-кода, правила загрузки и проверки классов, работу с памятью, стеком, исключениями, потоками и другими механизмами выполнения программы.

Спецификация не диктует, как именно должна быть устроена JVM внутри. Разработчики конкретной реализации могут выбирать внутренние алгоритмы, способы оптимизации, устройство сборщика мусора и другие детали. Главное — чтобы реализация корректно выполняла байт-код и соответствовала требованиям спецификации.

Спецификация JVM сама по себе не запускает программы. Для выполнения Java-приложений требуется конкретная реализация виртуальной машины.

Самая известная реализация — HotSpot JVM. Она используется в OpenJDK и большинстве популярных сборок JDK на его основе: Oracle JDK, Eclipse Temurin, Amazon Corretto, Azul Zulu, Microsoft Build of OpenJDK и других.

HotSpot — не единственная реализация JVM. Существуют и другие, например Eclipse OpenJ9. Они тоже должны соответствовать спецификации JVM, но могут отличаться внутренним устройством, производительностью, настройками, алгоритмами сборки мусора и диагностическими возможностями.

На практике разработчики обычно не устанавливают JVM отдельно, а скачивают готовую сборку JDK, в которую уже входит JVM.

Когда вы запускаете приложение командой java, создается процесс, внутри которого работает JVM. Этот работающий процесс и называют экземпляром JVM.

Обычно, когда разработчики говорят «JVM», они имеют в виду именно работающий экземпляр JVM: процесс, который выполняет Java-приложение, использует память, загружает классы, управляет потоками и выполняет сборку мусора.

Если программа завершилась из-за ошибки, например из-за переполнения стека, говорят, что ошибка произошла в работающей JVM. Формально «ломается» не JVM как технология, а завершается конкретный процесс, в котором выполнялась программа.

Перед тем как выполнить Java-программу, JVM должна найти, загрузить и подготовить необходимые классы. Этот процесс включает несколько этапов: загрузку классов (поиск и чтение .class-файлов), связывание (проверку байт-кода, подготовку статических полей и разрешение ссылок) и инициализацию классов (выполнение статических инициализаторов). После этого JVM начинает выполнение основного кода приложения.

Более подробно о каждом этапе читайте в статье «Глубокое погружение в процесс запуска JVM».

Загрузчик классов — это часть механизма JVM, отвечающая за загрузку классов во время выполнения программы. Он находит нужные .class-файлы, загружает их в память и делает доступными для дальнейшего выполнения.

Классы обычно загружаются не все сразу, а по мере необходимости. Такой подход называют ленивой загрузкой. Если какая-то часть программы ни разу не была использована, связанные с ней классы могут так и не загрузиться во время работы приложения.

JVM кэширует уже загруженные классы и не загружает их заново при повторных обращениях.

После загрузки JVM проверяет байт-код. Эта проверка помогает убедиться, что он соответствует правилам и не нарушает базовые требования безопасности.

Также JVM проверяет корректность инструкций, работу со стеком, типы данных и другие условия. Благодаря этому ошибочный или поврежденный байт-код не должен бесконтрольно выполняться внутри виртуальной машины.

После загрузки и проверки классов JVM начинает выполнять байт-код программы. Выполнение обычно начинается с точки входа, например с метода main, а затем продолжается по мере вызова других методов и загрузки дополнительных классов.

За выполнение байт-кода отвечает механизм выполнения JVM. Он интерпретирует инструкции байт-кода, а часто выполняемые участки кода может компилировать в машинный код с помощью JIT-компилятора. Так современные JVM не только запускают Java-программы, но и оптимизируют их работу во время выполнения.

Памятью Java-программы управляет JVM. Она выделяет память для объектов, хранит данные во время выполнения программы и освобождает память от объектов, которые больше не используются.

Упрощенно память JVM можно разделить на несколько областей:

JVM освобождает память в куче автоматически: объекты, на которые больше нет ссылок, удаляются сборщиком мусора. Разработчику не приходится вручную удалять объекты, как в некоторых других языках.

Размеры кучи и стека можно настраивать при запуске JVM с помощью флагов, например -Xmx (максимальный размер кучи) и -Xss (размер стека для потока). Metaspace тоже имеет настройки, но по умолчанию он растёт динамически.

Память JVM устроена сложнее: существуют и другие области, например Code Cache (для JIT-скомпилированного кода) и различные буферы в native-памяти. Но для первого знакомства достаточно понимать различие между кучей, стеком и метапространством.

В языках вроде C и C++ разработчик часто сам отвечает за выделение и освобождение памяти. В Java большую часть этой работы берет на себя JVM.

Когда в программе создается объект с помощью new, память для него выделяется в куче JVM. Разработчику не приходится вручную запрашивать память у ОС и затем освобождать ее. JVM определяет недоступные объекты и удаляет их — этот процесс называется сборкой мусора.

JVM находит мусор через механизм достижимости: объект считается живым, пока до него можно добраться по цепочке ссылок от корневых объектов — например, от локальных переменных в стеке или от статических полей классов. Объекты, до которых нельзя добраться, удаляются. Если программа создаёт слишком много объектов и куча переполняется, возникает ошибка OutOfMemoryError.

Для эффективной работы куча обычно делится на несколько поколений. Большинство объектов живут недолго и удаляются при первой же сборке мусора в young generation. Объекты, пережившие несколько сборок, перемещаются в old generation и проверяются реже.

Во время сборки мусора JVM обычно приостанавливает выполнение программы. Такие паузы называют stop-the-world. Современные сборщики, такие как G1 и ZGC, стараются минимизировать эти паузы, выполняя часть работы параллельно с приложением.

В первые годы Java часто критиковали за производительность. Java-программы выполнялись не напрямую на процессоре, как нативный код C или C++, а через JVM. Кроме того, сборка мусора могла создавать дополнительные паузы во время работы приложения. Со временем JVM стала значительно эффективнее. В современных реализациях используются разные сборщики мусора, JIT-компиляция и другие оптимизации, которые позволяют Java-приложениям показывать высокую производительность во многих сценариях.

В этой статье мы рассмотрели ключевые технологии Java-платформы: JDK, JRE и JVM, а также разобрали, как они связаны между собой. Понимание этих понятий поможет начинающему разработчику увереннее работать с Java: правильно выбрать и установить JDK, настроить среду разработки, запускать программы и лучше понимать ошибки, возникающие при компиляции или выполнении кода. На старте этого достаточно, чтобы не путаться в базовых терминах и понимать, какую роль каждая часть Java-платформы играет в разработке и запуске приложений.