يعد Java Virtual Machine (JVM) حجر الزاوية في تشغيل برنامج Java، فهو يمنح لغة Java ميزة "الكتابة مرة واحدة والتشغيل في أي مكان". ستستكشف هذه المقالة بعمق البنية ومبدأ العمل وإدارة الذاكرة وتحسين الأداء والأمان وآلية جمع البيانات المهملة لـ JVM، وتشرح مبدأ التنفيذ عبر الأنظمة الأساسية. سيمنحك محرر Downcodes فهمًا شاملاً لـ JVM ويساعدك على فهم Java واستخدامها بشكل أفضل.
يعد Java Virtual Machine (JVM) بمثابة مثيل كمبيوتر افتراضي يمكنه تنفيذ Java bytecode، ويوفر القدرة لبرامج Java على التشغيل عبر الأنظمة الأساسية، وهو مسؤول عن إدارة ذاكرة النظام ومراقبة تنفيذ البرنامج. تشمل الوظائف الرئيسية لجهاز Java الظاهري ما يلي: ضمان إمكانية تشغيل برامج Java على أي نظام أساسي دون أن تتأثر، وتحسين أمان البرنامج، وتحسين أداء البرنامج، وتوفير وظائف إدارة الذاكرة وجمع البيانات المهملة. من بينها، يعد ضمان تشغيل برامج Java على أي نظام أساسي دون أن تتأثر إحدى الوظائف الأساسية لجهاز Java الظاهري. ويرجع ذلك إلى مفهوم تصميم لغة Java: "الكتابة مرة واحدة، والتشغيل في أي مكان". يمكن للمطورين كتابة التعليمات البرمجية مرة واحدة وتشغيلها على أي جهاز باستخدام JVM متوافق مع المعايير، بغض النظر عن الاختلافات الأساسية بين الأجهزة ونظام التشغيل.
تشتمل بنية جهاز Java الظاهري بشكل أساسي على عدة أجزاء أساسية: النظام الفرعي لمحمل الفئة، ومنطقة بيانات وقت التشغيل، ومحرك التنفيذ، ومكتبة الواجهة المحلية، ومكتبة الطريقة المحلية.
يعد النظام الفرعي لمحمل الفئة مسؤولاً عن تحميل ملفات الفئة من نظام الملفات أو الشبكة. تحتوي ملفات الفئة على معرف تنسيق محدد في بداية الملف.
توفر منطقة بيانات وقت التشغيل موارد الذاكرة لتشغيل جهاز Java الظاهري، بما في ذلك الكومة ومنطقة الطريقة ومكدس الجهاز الظاهري وعداد البرنامج ومكدس الطريقة المحلية.
محرك التنفيذ هو الجزء الأساسي من JVM وهو مسؤول عن تفسير الأوامر وتنفيذ التعليمات. يشبه محرك التنفيذ نسخة تمت محاكاتها من وحدة المعالجة المركزية، وهو قادر على تنفيذ التعليمات الموجودة في الكود الثانوي.
مكتبة الواجهة المحلية ومكتبة الطريقة المحلية هي جسر التفاعل بين جهاز Java الظاهري والنظام المحلي، فهي تسمح لـ Java باستدعاء المكتبات والأساليب الخاصة بالنظام المحلي.
ينقسم مبدأ عمل JVM تقريبًا إلى ثلاث خطوات رئيسية: التحميل والربط والتهيئة.
في مرحلة التحميل، يقرأ مُحمل الفئة ملف الرمز الثانوي للتطبيق ويقوم بإنشاء كائن فئة له.
تنقسم عملية الربط إلى ثلاث مراحل: التحقق والإعداد والتحليل. ويضمن التحقق صحة الفئات المحملة. وتكون مرحلة الإعداد مسؤولة عن تخصيص الذاكرة لمتغيرات الفئة وتعيين القيم الأولية الافتراضية. ويحول التحليل مراجع الرموز إلى مراجع مباشرة.
التهيئة هي تعيين القيم الأولية الصحيحة للحقول التي تم وضع علامة عليها كثوابت، وتنفيذ مُنشئي الفئة وكتل التعليمات البرمجية الثابتة.
تعد إدارة ذاكرة JVM جزءًا مهمًا نسبيًا من جهاز Java الظاهري. يتضمن النواة الكومة والمكدس ومنطقة الطريقة والذاكرة المباشرة وأجزاء أخرى.
الكومة هي أكبر منطقة ذاكرة يديرها JVM وتستخدم لتخزين مثيلات ومصفوفات الكائنات وهي المنطقة الرئيسية التي يديرها جامع البيانات المهملة وهي أيضًا الجزء الأكثر تعقيدًا في إدارة ذاكرة Java.
يتم استخدام ذاكرة المكدس لتخزين المتغيرات المحلية واستدعاءات الأساليب. كل مؤشر ترابط له مكدس خاص به، والبيانات الموجودة في المكدس خاصة.
تقوم منطقة الطريقة بتخزين معلومات الفئة والثوابت والمتغيرات الثابتة والبيانات الأخرى التي تم تحميلها بواسطة الجهاز الظاهري.
لا تعد الذاكرة المباشرة جزءًا من منطقة بيانات وقت تشغيل الجهاز الظاهري، ولكنها تُستخدم غالبًا لعمليات NIO لتحسين أداء عمليات الإدخال والإخراج عن طريق تخزين البيانات في الذاكرة المحلية.
يعد تحسين الأداء إجراءً مهمًا لتحسين أداء تطبيقات Java وضمان التشغيل المستقر للنظام.
يعد تحسين معلمات JVM طريقة شائعة لتحسين الأداء والضبط. ويمكن تحسين الأداء بشكل كبير عن طريق تعيين حجم ذاكرة الكومة بشكل صحيح، وضبط استراتيجيات ومعلمات جمع البيانات المهملة، وما إلى ذلك.
تعد مراقبة حالة JVM وتحليلها أيضًا جزءًا مهمًا من التحسين. استخدم الأدوات لمراقبة استخدام ذاكرة JVM وجمع البيانات المهملة، وتحليل اختناقات الأداء وتسريبات الذاكرة.
يعد التحسين على مستوى التعليمات البرمجية مهمًا بنفس القدر، مثل تحسين هياكل البيانات، وتقليل إنشاء الكائنات غير الضرورية، واستخدام خوارزميات فعالة، وما إلى ذلك.
يوفر تصميم JVM طبقات أمان متعددة، بما في ذلك أدوات التحقق من الكود الثانوي وآليات تحميل الفئة ومديري الأمان وميزات الأمان الأخرى.
يمنع Bytecode Verifier تنفيذ التعليمات البرمجية الضارة عن طريق التأكد من أن bytecode المحمل يتوافق مع مواصفات لغة Java.
يمكن لنموذج التفويض الأصلي في آلية تحميل الفصل منع التعليمات البرمجية الضارة من استبدال فئات المكتبة الأساسية وضمان أمان تطبيقات Java.
يوفر مدير الأمان إطارًا لسياسة الأمان للتحكم في الملفات والوصول إلى الشبكة والعمليات الأخرى لتطبيقات Java لمنع الوصول غير المصرح به إلى موارد النظام.
يعد جمع البيانات المهملة آلية مهمة لـ JVM لإدارة الذاكرة. الهدف هو تحديد وتحرير الكائنات التي لم تعد مستخدمة بواسطة التطبيق لتجنب تسرب الذاكرة وتحسين أداء الذاكرة.
خوارزمية التحديد والمسح هي خوارزمية التجميع الأساسية، حيث تقوم بوضع علامة على كافة الكائنات النشطة ثم مسح الكائنات غير المميزة.
تقوم خوارزمية النسخ بتقسيم الذاكرة إلى منطقتين متساويتين، وتستخدم منطقة واحدة فقط في كل مرة. عندما تكون هذه المنطقة ممتلئة، يتم نسخ الكائنات الباقية إلى منطقة أخرى.
تعد خوارزمية Mark-Compact بمثابة تحسين لخوارزمية Mark-Sweep، فهي لا تحدد الكائنات النشطة فحسب، بل تقوم أيضًا بنقل جميع الكائنات الباقية للتخلص من التجزئة وتحسين مساحة الذاكرة.
تتيح خوارزميات جمع البيانات المهملة الحديثة، مثل التجميع المتزايد وجمع الأجيال، إدارة أكثر كفاءة للذاكرة.
تعد قدرة JVM عبر الأنظمة الأساسية واحدة من أكبر ميزات لغة Java، والتي تستفيد من مبادئ تصميم JVM. اكتب مرة واحدة، واركض إلى أي مكان، محققًا هذا الوعد:
يقوم المترجم بتجميع كود مصدر Java إلى كود ثانوي مستقل عن النظام الأساسي (ملفات .class)، مما يسمح بتنفيذ الكود الثانوي على أي JVM.
تحتوي منصات أنظمة التشغيل المختلفة على تطبيقات JVM المقابلة، حيث يمكن لـ JVMs فهم نفس ملفات الكود الثانوي وتنفيذها، وبالتالي تحقيق التنفيذ عبر الأنظمة الأساسية.
على الرغم من أن JVM يخفي الاختلافات في أنظمة التشغيل والأجهزة الأساسية، إلا أن JVMs الموجودة على منصات مختلفة تنفذ نفس مواصفات جهاز Java الظاهري، مما يضمن اتساق تطبيقات Java وقابليتها للنقل.
ما هو جهاز جافا الظاهري (JVM)؟
Java Virtual Machine (JVM) هي بيئة التشغيل للغة برمجة Java وهي الأساس لتنفيذ برنامج Java. JVM هو كمبيوتر افتراضي يحاكي منصة الكمبيوتر على جهاز كمبيوتر فعلي، مما يسمح لبرامج Java بالعمل على أنظمة تشغيل مختلفة، وتحقيق ميزة "التجميع مرة واحدة والتشغيل في أي مكان" الخاصة بـ Java.
ما هو دور JVM؟
تتمثل وظيفة JVM في تفسير وتنفيذ Java bytecode (أي كود مصدر Java المترجم) أو تجميعه وتنفيذه في تعليمات الجهاز المستهدف. وهي مسؤولة عن إدارة الذاكرة وجمع البيانات المهملة والأمن وتحسين الأداء والمهام الأخرى لبرامج Java. يوفر JVM بيئة تشغيل قوية، مما يجعل تطوير وتنفيذ برامج Java أكثر كفاءة وملاءمة.
ما هي مميزات JVM؟
أولًا، JVM مستقل عن النظام الأساسي، ويمكن تشغيل برامج Java على أنظمة تشغيل مختلفة دون تعديل التعليمات البرمجية. وهذا يجعل Java لغة مستخدمة على نطاق واسع للتطوير عبر الأنظمة الأساسية.
ثانيًا، يحتوي JVM على آلية لإدارة الذاكرة وجمع البيانات المهملة يمكنها إدارة تخصيص الذاكرة وتحريرها تلقائيًا. وهذا يقلل بشكل كبير من العبء الواقع على المطورين ويحسن متانة البرنامج واستقراره.
بالإضافة إلى ذلك، تدعم JVM أيضًا تقنية الترجمة في الوقت المناسب (JIT)، والتي يمكنها تجميع التعليمات البرمجية الساخنة في كود الجهاز وتحسين كفاءة تنفيذ البرنامج. يوفر JVM أيضًا مجموعة كبيرة من أدوات التطوير ومصححات الأخطاء لتسهيل قيام المطورين بإجراء تصحيح أخطاء البرامج وتحليل الأداء.
باختصار، تكمن ميزة JVM في نظامها الأساسي المشترك وإدارة الذاكرة وجمع البيانات المهملة والتجميع في الوقت المناسب والميزات الأخرى، مما يجعل تطوير برامج Java وتنفيذها أكثر كفاءة وموثوقية.
آمل أن تساعدك هذه المقالة على فهم جهاز Java الظاهري بشكل أفضل. إذا كان لديك أي أسئلة، فلا تتردد في طرحها.