JVM、JRE和JDK之间的区别

1. 概述

在本文中，我们将通过考虑JVM、JRE和JDK的组件和用途来讨论它们之间的区别。

2. JVM

Java虚拟机(JVM)是执行Java程序的虚拟机的实现。

JVM首先解释字节码，然后，它将类信息存储在内存区域中。最后，执行Java编译器生成的字节码。

它是一种抽象的计算机器，具有自己的指令集并在运行时操作各种内存区域。

JVM的组件包括：

• 类加载器
• 运行时数据区
• 执行引擎

2.1 类加载器

JVM的初始任务包括加载、验证和链接字节码，类加载器负责处理这些任务。

我们有一篇专门讨论类加载器的详细文章。

2.2 运行时数据区

JVM定义了各种内存区域来执行Java程序，这些区域在运行时使用，称为运行时数据区。其中一些区域在JVM启动时创建，并在JVM退出时销毁；还有一些区域在线程创建时创建，并在线程退出时销毁。

方法区

本质上，方法区类似于已编译代码的存储区域。它存储诸如运行时常量池、字段和方法数据、方法和构造函数的代码以及完全限定的类名等结构，JVM为每个类存储这些结构。

方法区，也称为永久代空间(PermGen)，在JVM启动时创建，此区域的内存不需要连续，所有JVM线程共享此内存区域。

堆区域

JVM从该区域为所有类实例和数组分配内存。

垃圾回收器(GC)负责回收对象的堆内存，GC回收对象内存的过程大致分为三个阶段，即两次Minor GC和一次Major GC。

堆内存分为三部分：

• 伊甸园空间：它是年轻代空间的一部分，当我们创建一个对象时，JVM会从这块空间分配内存。
• 幸存者空间：也是年轻代空间的一部分，幸存者空间存储在GC的Minor GC阶段中幸存下来的对象。
• 永久代空间：也称为老年代空间，它用于存放长期存活的对象。基本上，年轻代对象会设置一个阈值，当达到该阈值时，这些对象就会被移动到永久代空间。

JVM在启动时会创建堆区域，JVM的所有线程共享此区域，堆区域的内存不需要连续。

栈区域

将数据存储为帧，每个帧存储局部变量、部分结果和嵌套方法调用。JVM每次创建新线程时都会创建堆栈区域，该区域对于每个线程都是私有的。

堆栈中的每个条目称为堆栈帧或活动记录，每个帧包含三部分：

• 局部变量数组：包含方法的所有局部变量和参数。
• 操作数栈：用作存储中间计算结果的工作空间。
• 帧数据：用于存储部分结果、方法的返回值以及对异常表的引用，该表在发生异常时提供相应的捕获块信息。

JVM堆栈的内存不需要连续。

PC寄存器

每个JVM线程都有一个单独的PC寄存器，用于存储当前正在执行的指令的地址，如果当前正在执行的指令是本机方法的一部分，则此值未定义。

本机方法堆栈

本机方法是用Java以外的语言编写的方法。

JVM提供了调用这些本机方法的功能，本机方法栈也称为“C栈”，它们存储本机方法信息，每当本机方法被编译成机器码时，它们通常使用本机方法栈来跟踪其状态。

JVM每次创建新线程时都会创建这些堆栈，因此，JVM线程不共享此区域。

2.3 执行引擎

执行引擎使用内存区域中的信息执行指令，它包含三个部分：

解释器

一旦类加载器加载并验证了字节码，解释器就会逐行执行字节码，这种执行速度相当慢。解释器的缺点是，当一个方法被多次调用时，每次都需要重新解释。

但是，JVM使用JIT编译器来减轻这个缺点。

即时(JIT)编译器

JIT编译器在运行时将经常调用的方法的字节码编译为本机代码，因此，它负责Java程序的优化。

JVM会自动监控哪些方法正在执行，一旦某个方法符合JIT编译条件，它就会被安排编译成机器码，这种方法被称为热方法，编译成机器码的过程在单独的JVM线程中进行。

因此，它不会中断当前程序的执行，编译成机器码后，运行速度更快。

垃圾回收器

Java使用垃圾回收机制进行内存管理，垃圾回收机制会检查堆内存，识别哪些对象正在使用，哪些对象未使用，最后删除未使用的对象。

GC是一个守护线程，它可以通过System.gc()方法显式调用，但是它不会立即执行，JVM会决定何时调用GC。

2.4 Java原生接口

它充当Java代码和本机(C/C++)库之间的接口。

在某些情况下，Java本身无法满足你的应用程序的需求，例如，实现依赖于平台的功能。

在这些情况下，我们可以使用JNI来使JVM中运行的代码能够调用。相反，它允许本机方法调用JVM中运行的代码。

2.5 原生库

这些是特定于平台的库，包含本机方法的实现。

3. JRE

Java运行时环境(JRE)是用于运行Java应用程序的一组软件组件。

JRE的核心组件包括：

• Java虚拟机(JVM)的实现
• 运行Java程序所需的类
• 属性文件

我们在上一节讨论了JVM，这里我们将重点介绍核心类和支持文件。

3.1 引导类

我们会在jre/lib/下找到引导类，此路径也称为引导类路径，它包括：

• rt.jar中的运行时类
• i18n.jar中的国际化类
• charsets.jar中的字符转换类
• 其他

引导类加载器在JVM启动时加载这些类。

3.2 扩展类

我们可以在jre/lib/extn/中找到扩展类，它是Java平台扩展的目录，此路径也称为扩展类路径。

它包含jfxrt.jar中的JavaFX运行时库，以及localedata.jar中的java.text和java.util包的语言环境数据，用户还可以将自定义jar文件添加到此目录中。

3.3 属性设置

Java平台使用这些属性设置来维护其配置，根据用途，它们位于/jre/lib/内的不同文件夹中，这些文件夹包括：

• calendar.properties中的日历配置
• logging.properties中的日志配置
• net.properties中的网络配置
• /jre/lib/deploy/中的部署属性
• /jre/lib/management/中的管理属性

3.4 其他文件

除了上述文件和类之外，JRE还包含其他事项的文件：

• jre/lib/security中的安全管理
• jre/lib/applet目录下存放Applet的支持类
• jre/lib/fonts和其他位置的字体相关文件

4. JDK

Java开发工具包(JDK)提供了开发、编译、调试和执行Java程序的环境和工具。

JDK的核心组件包括：

• JRE
• 开发工具

我们在上面的章节中讨论了JRE。

现在，我们将重点介绍各种开发工具，让我们根据用途对这些工具进行分类。

4.1 基本工具

这些工具构成了JDK的基础，用于创建和构建Java应用程序。在这些工具中，我们可以找到用于编译、调试、归档、生成Javadocs等实用程序。

它们包括：

• javac：读取类和接口定义并将它们编译成class文件
• java：启动Java应用程序
• javadoc：从Java源文件生成API文档的HTML页面
• apt：根据指定源文件集中的注解查找并执行注解处理器
• appletviewer：使我们能够在没有Web浏览器的情况下运行Java Applet
• jar：将Java Applet或应用程序打包成一个档案
• jdb：用于查找和修复Java应用程序中的错误的命令行调试工具
• javah：从Java类生成C头文件和源文件
• javap：反汇编类文件并显示有关类文件中存在的字段、构造函数和方法的信息
• extcheck：检测目标Java存档(JAR)文件和当前安装的扩展JAR文件之间的版本冲突

4.2 安全工具

这些包括用于操作Java密钥库的密钥和证书管理工具。

Java Keystore是授权证书或公钥证书的容器，因此，Java应用程序经常使用它来进行加密、身份验证以及通过HTTPS提供服务。

此外，它们还帮助我们在系统上设置安全策略，并创建可以在生产环境中在这些策略范围内运行的应用程序。这些包括：

• keytool：帮助管理密钥库条目，即加密密钥和证书
• jarsigner：使用密钥库信息生成数字签名的JAR文件
• policytool：使我们能够管理定义安装安全策略的外部策略配置文件

一些安全工具也有助于管理Kerberos票证。

Kerberos是一种网络身份验证协议。

它基于票证工作，允许通过非安全网络进行通信的节点以安全的方式相互证明其身份：

• kinit：用于获取和缓存Kerberos票证授予票证
• ktab：管理密钥表中的主体名称和密钥对
• klist：显示本地凭证缓存和密钥表中的条目

4.3 国际化工具

国际化是设计应用程序的过程，以便它能够在不进行工程更改的情况下适应各种语言和地区。

为此，JDK提供了native2ascii工具，此工具可以将JRE支持的字符文件转换为ASCII或Unicode转义编码的文件。

4.4 远程方法调用(RMI)工具

RMI工具支持Java应用程序之间的远程通信，从而为分布式应用程序的开发提供了空间。

RMI允许在一个JVM中运行的对象调用在另一个JVM中运行的对象的方法，这些工具包括：

• rmic：使用Java远程方法协议(JRMP)或Internet Inter-Orb协议(IIOP)为远程对象生成存根、骨架和连接类
• rmiregistry：创建并启动远程对象注册表
• rmid：启动激活系统守护进程，这允许在Java虚拟机中注册和激活对象
• serialver：返回指定类的序列版本UID

4.5 Java IDL和RMI-IIOP工具

Java接口定义语言(IDL)为Java平台添加了基于通用对象的请求代理架构(CORBA)功能。

这些工具使分布式Java Web应用程序能够使用行业标准对象管理组(OMG)-IDL调用远程网络服务上的操作。

同样，我们可以使用Internet InterORB协议(IIOP)。

RMI-IIOP(即RMI over IIOP)允许通过RMI API进行CORBA服务器和应用程序的编程，这样，两个使用任何兼容CORBA语言编写的应用程序之间就可以通过Internet InterORB协议(IIOP)建立连接。

这些工具包括：

• tnameserv：临时命名服务，为对象引用提供树形结构目录
• idlj：IDL-to-Java编译器，用于为指定的IDL文件生成Java绑定
• orbd：使客户端能够在CORBA环境中透明地定位和调用服务器上的持久对象
• servertool：提供命令行界面，用于向ORB Daemon(orbd)注册或取消注册持久服务器，启动和关闭向ORB Daemon注册的持久服务器等

4.6 Java部署工具

这些工具有助于在Web上部署Java应用程序和Applet，它们包括：

• pack200：使用Java gzip压缩器将JAR文件转换为pack200文件
• unpack200：将pack200文件转换为JAR文件

4.7 Java插件工具

JDK为我们提供了htmlconverter，并且需要和Java插件配合使用。

一方面，Java插件在主流浏览器和Java平台之间建立了连接，使得网站上的Applet可以在浏览器中运行。

另一方面，htmlconverter是一个将包含小程序的HTML页面转换为Java插件格式的实用程序。

4.8 Java Web Start工具

JDK自带了javaws，我们可以将它与Java Web Start结合使用。

此工具允许我们通过浏览器单击即可下载并启动Java应用程序，因此，无需运行任何安装过程。

4.9 监控和管理工具

这些都是可以用来监控JVM性能和资源消耗的优秀工具，以下是其中一些：

• jconsole：提供图形控制台，可让你监视和管理Java应用程序
• jps：列出目标系统上已检测的JVM
• jstat：监控JVM统计数据
• jstatd：监控已检测JVM的创建和终止

4.10 故障排除工具

这些是我们可以利用来解决故障排除任务的实验工具：

• info：为指定的Java进程生成配置信息
• jmap：打印指定进程的共享对象内存映射或堆内存详细信息
• jsadebugd：附加到Java进程并充当调试服务器
• jstack：打印给定Java进程的Java线程的Java堆栈跟踪

5. 总结

在本文中，我们确定了JVM、JRE和JDK之间的基本区别在于它们的用法。

首先，我们描述了JVM是如何成为实际执行Java字节码的抽象计算机器的。

然后，我们解释了如何运行Java应用程序，使用JRE。

最后，我们了解了如何开发Java应用程序，使用JDK。