JVM、JRE 和 JDK 之间的区别

1. 概述

本文中，我们将通过 JVM、JRE 和 JDK 的组件和用途来讨论它们之间的差异。

2. JVM

Java Virtual Machine (JVM) 是执行 Java 程序的虚拟机的实现。

JVM 首先解析字节码。然后，它将类信息存储在存储区中。最后，它执行 java 编译器生成的字节码。

它是一台具有自己的指令集的抽象计算机，在运行时操纵各种内存区域。

JVM 的组件包括：

• 类加载器
• 运行时数据区域
• 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。类加载器处理这些任务。

2.2. 运行时数据区

JVM 定义了多个内存区域来执行 Java 程序。这些内存在运行时使用，被称为运行时数据区。其中一些区域在 JVM 启动时创建，并在 JVM 退出时销毁，而另一些区域在创建线程时创建，在线程退出时销毁。

让我们逐一细看这些内存区：

方法区

基本上，方法区类似于编译代码的存储区。它存储运行时常量池、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，也称为永久生成空间(PermGen)，是在 JVM 启动时创建的。此区域的内存不需要是连续的。所有 JVM 线程共享此内存区域。

堆(Heap Area)

JVM 从该区域为所有类实例和数组分配内存。

垃圾回收器(GC)回收对象的堆内存。基本上，GC 有三个阶段从对象中回收内存，即两个次要 GC 和一个主要 GC。

堆内存有三个部分：

• 伊甸园区(Eden Space) – 它是新生区(Young Generation space)的一部分。当我们创建对象时，JVM 从该区域中分配内存。
• 幸存者区(Survivor Space) –它也是新生区(Young Generation space)的一部分。Survivor space 包含在 GC 的次要 GC 阶段幸存下来的现有对象。
• 养老区(Tenured Space) – 它也被称为老一代空间(Old Generation space)。它持有长期幸存的对象。基本上，先为新生代(Young Generation)对象设置阈值，当达到此阈值时，这些对象将被移动到养老区。

JVM 一启动就创建堆区域。JVM 的所有线程都共享这个区域。堆区域的内存不需要是连续的。

栈(Stack area)

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。此区域对每个线程都是私有的。

栈中的每个条目称为栈帧或激活记录。每个帧包含三个部分：

• 局部变量数组 – 包含方法的所有局部变量和参数
• 操作堆栈 - 用作存储中间计算结果的工作区
• 帧数据 - 用于存储部分结果、方法的返回值以及对 Exception 表的引用，该表在发生异常时提供相应的 catch 块信息

JVM 栈的内存不需要是连续的。

PC 计数器

每个 JVM 线程都有一个单独的 PC 计数器，用于存储当前执行的指令的地址。如果当前执行的指令是本地方法(native method)的一部分，则此值未定义。

原生方法栈

本地方法是用 Java 以外的语言编写的方法。

JVM 提供了调用这些本地方法的能力。本地方法栈也称为 “C 栈”。它们存储本地方法信息。每当将本地方法编译为机器代码时，它们通常会使用本地方法堆栈来跟踪其状态。

JVM 每次创建新线程时都会创建这些堆栈。因此 JVM 线程不共享这个区域。

2.3. 执行引擎

执行引擎使用内存区域中存在的信息来执行指令。它有三个部分：

解释器(Interpreter)

一旦类加载器加载并验证字节码，解释器就会逐行执行字节码。这个执行过程相当缓慢。解释器的缺点是，当一个方法被多次调用时，每次都需要新的解释。

然而，JVM 使用 JIT 编译器来减轻这一缺点。

即时(JIT)编译器

JIT 编译器在运行时将常用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 会自动监视正在执行的方法。一旦一个方法符合 JIT 编译的条件，它就会被安排编译成机器代码。这种方法被称为热方法。这种机器代码的编译发生在单独的 JVM 线程上。

因此，它不会中断当前程序的执行。编译成机器代码后，它运行得更快。

垃圾回收器

Java 使用垃圾回收来管理内存。这是一个查看堆内存的过程，识别哪些对象正在使用，哪些没有使用，最后删除未使用的对象。

GC 是一个守护进程线程。可以使用 System.gc() 方法显式调用它，但是，它不会立即执行，JVM 会决定何时调用 GC。

2.4. Java 本地接口

它充当 Java 代码和本机(C/C++)库之间的接口。

在某些情况下，仅靠 Java 无法满足应用的需求，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 使 JVM中运行的代码能够调用。反之，它使本地方法能够调用 JVM 中运行的代码。

2.5. 本地库

它们是特定于平台的库，包含本地方法的实现。

3. JRE

Java 运行时环境(JRE)是一组用于运行 Java 应用 的软件组件。

JRE 的核心组件包括：

• 一个 Java 虚拟机 (JVM)的实现
• 运行 Java 程序所需要的类
• 属性文件

我们在上一节中讨论了 JVM。在这里，我们将重点介绍核心类和支持文件。

3.1. 引导(Bootstrap)类

我们可以在 jre/lib/ 下找到引导类。该路径也被视为引导的类路径(classpath)。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/ext/ 中找到扩展类，它是 Java 平台扩展的目录。此路径也称为扩展的类路径(classpath)。

它包含 jfxrt.jar 中的 JavaFX 运行时库，以及 localedata.jar 中 java.text 和 java.util 包的区域设置数据。用户还可以将自定义 jar 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。根据它们的使用情况，它们位于 /jre/lib/ 中的不同文件夹中。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，JRE 还包含其他事项的文件：

• 安全管理位于 jre/lib/security
• 放置 applet 支持类的目录位于 jre/lib/applet
• 字体相关文件位于 jre/lib/fonts 等等

4. JDK

Java 开发工具包(Java Development Kit，JDK)为开发、编译、调试和执行 Java 程序提供了环境和工具。

JDK 的核心组件包括：

• JRE
• 开发工具

前文中，我们讨论过了 JRE，此处不再赘述。

接下来，我们专注于各种开发工具。让我们先根据这些工具的用途对其进行分类：

4.1. 基础工具

这些工具为 JDK 奠定了基础，用于创建和构建 Java 应用。在这些工具中，我们可以找到用于编译、调试、归档、生成 Javadoc 等的工具。

其中包括：

• javac – 读取类和接口定义，并将它们编译到类文件中
• java – 启动 Java 应用
• javadoc – 从 Java 源文件中生成 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 或应用打包到单个存档中
• jdb – 命令行调试工具用来查找和修复 Java 应用中的 Bug
• javah – 从 Java 类中生成 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 Archive (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

其中包括用于操纵 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，它经常被基于 Java 的应用用于加密、身份验证和通过 HTTPS 提供服务。

此外，它们还有助于在我们的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工作的应用。包括：

• keytool – 有助于管理密钥库条目，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 –  使我们能够管理外部策略配置文件，该文件定义了安装的安全策略

一些安全工具也有助于管理 Kerberos Ticket。

Kerberos 是一种网络身份验证协议。

它基于票据工作，允许在非安全网络上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 票据授予票据(Kerberos ticket-granting ticket)
• ktab – 管理密钥表中的 principle 名和密钥对
• klist – 显示本地凭据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使其能够适应各种语言和地区的过程，而无需对设计进行修改。

为此，JDK 带来了 native2ascii。此工具将包含 JRE 支持的字符的文件转换为 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 应用之间的远程通信，从而为分布式应用的开发提供了空间。

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

• rmic – 使用 Java 远程方法协议(JRMP)或 InternetInter-Orb Protocol (IIOP)为远程对象生成桩代码(stub)、骨架(skeleton)和衔接(tie)类
• rmiregistry – 创建并开启远程对象注册
• 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 – 返回指定类的串行版本 UID

4.5. Java IDL 和 RMI-IIOP 工具

Java 接口定义语言(Interface Definition Language, IDL)为 Java 平台添加了基于通用对象请求代理架构(Common Object-Based Request Broker Architecture, CORBA)功能。

这些工具使分布式 Java web 应用能够使用行业标准对象管理组(Object Management Group, 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 IIOP 上的 RMI，能够通过 RMI API 对 CORBA 服务器和应用进行编程。因此，能够通过互联网 InterORB 协议(IIOP)在用任何符合 CORBA 的语言编写的两个应用之间建立连接。

这些工具包括：

• tnameserv – 瞬态命名服务(transient Naming Service)，为对象引用提供树形结构的目录
• 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化对象
• servertool – 提供命令行界面，用于使用 ORB Daemon(orbd) 注册或注销持久化服务器，启动和关闭使用 ORB Daemon 注册的持久化服务器等

4.6. Java 部署工具

这些工具有助于在 web 上部署 Java 应用和小程序。其中包括：

• pack200 – 使用 Java gzip 解压器将 JAR 文件转换成 pack200 文件
• unpack200 – 将 pack200 文件转换成 JAR 文件

4.7. Java Plug-in 工具

JDK 为我们提供了 htmlconverter。此外，它还与 Java Plug-in 结合使用。

一方面，Java Plug-in 在流行浏览器和 Java 平台之间建立了连接。因为这种连接，网站上的 applet 小程序可以在浏览器中运行。

另一方面，htmlconverter 是一个工具程序，用于将包含 applet 的 HTML 页面转换为适合 Java Plug-in 的格式。

4.8. Java Web 启动工具

JDK 引入了 javaws。我们可以将其与 Java Web Start 结合使用。

此工具允许我们从浏览器中单击一下即可下载和启动 Java 应用。因此，不需要运行任何安装过程。

4.9. 监控及管理工具

它们是监控 JVM 性能和资源消耗的好工具。以下是其中一些：

• jconsole – 提供了一个图形控制台，可以用于监控和管理 Java 应用
• jps – 列出目标系统上的 instrumented JVM
• jstat – 监控 JVM 统计信息
• jstatd – 监控 instrumented JVM 的创建和终止

4.10. 诊断工具

这是我们可以用于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. 小结

本文中，我们基于用途中识别了 JVM、JRE 和 JDK 之间的基本区别。

首先，我们描述了 JVM 是一台抽象计算机，以及它如何实际执行 Java 字节码。

然后，我们解释了如何使用 JRE 运行 Java 应用。

最后，我们了解了如何开发 Java 应用，我们使用 JDK。

我们还花了一些时间深入研究这些组件的工具和基本概念。