【Java那些年系列-启航篇 03】JDK、JRE和JVM之间是什么关系？

作者名称：纸飞机-暖阳

作者简介：专注于Java和大数据领域，致力于探索技术的边界，分享前沿的实践和洞见

文章专栏：Java那些年专栏

专栏介绍：本专栏涵盖了 Java SE从基础语法到面向对象编程，从异常处理到集合框架，从I/O流到多线程并发，再到网络编程和虚拟机内部机制等一系列编程要素

个人感慨：市面上关于JavaSE的学习路线或知识图谱很繁杂，学习起来比较费劲，Java知识体系非常庞大，刚接触阶段只需要关注部分重要的知识点基本可以入门，但是需要在Java这个领域或是行业深耕，还是需要时间以及精力慢慢沉淀，如今AI盛行，对于计算机从业者是冲击也是机遇，很喜欢的一句话：开始很难，但总比一直等待要强。

JavaSE详细学习路线图以及思维导图

【Java那些年系列-启航篇 01】史上最强JavaSE学习路线图 & 知识图谱

文章目录

- JavaSE详细学习路线图以及思维导图
【Java那些年系列-启航篇 03】JDK、JRE和JVM之间是什么关系？
- 引言
- 01 JDK：Java开发工具包
- - 1.1 JDK概念
  - 1.2 JDK组成
  - 1.3 JDK功能
- 02 JRE：Java运行环境
- - 2.1 JRE概念
  - 2.2 JRE组成
  - 2.3 JRE功能
- 03 JVM：Java虚拟机
- - 3.1 JVM概念
  - 3.2 JVM组成
  - 3.3 JVM功能
  - 3.4 JVM工作原理
  - 3.5 JVM优势
- 04 JDK、JRE与JVM的关系
- - 4.1 定义与功能
  - 4.2 关系与层次
  - 4.3 作用与重要性
- 05 JDK、JRE与JVM的相关命令
- - 5.1 JDK（Java Development Kit）
  - 5.2 JRE（Java Runtime Environment）
  - 5.3 JVM（Java Virtual Machine）

【Java那些年系列-启航篇 03】JDK、JRE和JVM之间是什么关系？

引言

Java Development Kit（JDK）是Java编程语言的心脏，为开发者提供了一个完整的开发环境，用于构建、测试、运行和调试Java应用程序。

01 JDK：Java开发工具包

1.1 JDK概念

Java Development Kit（JDK）是一个综合性的开发工具包，它为Java应用程序的开发提供了必要的工具、编译器、开发工具、库和运行时环境。JDK是Java开发者进行软件开发的基础平台，它包括了多个关键组件，每个组件都在Java开发过程中扮演着特定的角色。

1.2 JDK组成

1. Java编译器（javac）

Java编译器是JDK中的第一个关键组件，它负责将Java源代码（.java文件）转换成Java字节码（.class文件）。这些字节码文件可以在任何安装了Java虚拟机（JVM）的设备上运行。javac编译器支持多种编译选项，包括指定源代码和目标字节码的版本，以及进行错误检查和警告。

1. Java虚拟机（JVM）

JVM是JDK的核心组件，它提供了一个虚拟的运行环境，使得Java程序能够在各种操作系统和硬件平台上执行。JVM负责加载字节码文件，执行它们，并管理内存分配和垃圾回收。这种跨平台的能力是Java语言受欢迎的重要原因之一。

1. Java类库

JDK包含了大量的预定义类和接口，这些构成了Java标准版（Java SE）的类库。类库提供了丰富的API，涵盖了基础数据类型操作、集合框架、输入输出流处理、网络编程、多线程、安全性等多个方面。这些类库的设计遵循了面向对象的原则，使得开发者可以方便地重用和扩展现有的功能。

1. 开发工具

JDK内置了一系列的开发工具，如javadoc用于生成API文档，jar用于打包类文件和相关资源，jdb用于调试等。这些工具帮助开发者进行代码的编译、运行、调试、打包和文档化，极大地提高了开发效率。

1. 版本管理

JDK支持多个版本并存，允许开发者根据项目需求选择合适的JDK版本。随着Java语言和平台的发展，新版本的JDK会引入新的语言特性和API。Oracle公司定期发布JDK的新版本，并提供长期支持（LTS）版本，以确保稳定性和兼容性。

1.3 JDK功能

1. 跨平台开发

JDK的设计使得Java程序具有极高的跨平台兼容性。开发者可以在Windows、Linux、macOS等操作系统上使用相同的JDK开发Java应用程序，而无需担心平台相关的兼容性问题。

1. 强大的类库支持

Java类库提供了丰富的功能，使得开发者可以快速实现各种复杂的功能，而无需从头开始编写代码。这些类库经过精心设计和优化，保证了性能和安全性。

1. 安全性和稳定性

JDK提供了一系列的安全特性，包括访问控制、加密、安全通信等，以保护Java应用程序和数据的安全。Java安全架构包括沙箱模型，限制了应用程序对本地资源的访问，防止恶意代码的执行。

1. 社区支持

JDK作为开源项目，得到了全球开发者社区的广泛支持。开发者可以通过参与OpenJDK项目来贡献代码、报告问题和改进JDK。社区的支持确保了JDK的持续发展和创新。

02 JRE：Java运行环境

2.1 JRE概念

Java运行环境（JRE）是运行Java应用程序的软件包，它提供了Java程序执行所需的全部软件环境。JRE包含了Java虚拟机（JVM）、Java核心类库以及一些支持Java程序运行的必要组件。它确保了Java程序能够在任何支持JRE的操作系统上运行，无需对代码进行任何修改。以下是JRE的详细描述，包括其主要组件、功能和在Java生态系统中的作用。

2.2 JRE组成

1. Java虚拟机（JVM）

JVM是JRE的核心，它是一个虚拟机，负责执行Java字节码。JVM为Java程序提供了一个独立于硬件和操作系统的运行环境，这是Java语言“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere）理念的基础。JVM不仅执行字节码，还管理程序的内存、垃圾回收以及确保程序的安全性。

1. 核心类库

JRE包含了Java标准版（Java SE）的核心类库，这些类库提供了Java编程所需的基本功能。类库中包含了大量的预定义类和接口，涵盖了从基本数据类型操作、集合框架、输入输出（I/O）处理到网络编程和图形用户界面（GUI）等各个方面。这些类库是Java开发者可以依赖的丰富资源，大大简化了程序的开发过程。

1. 支持文件

JRE还包括了一系列的支持文件，这些文件包括本地化支持、字体、协议处理等。这些文件对于Java程序的国际化和本地化至关重要，确保Java程序能够在不同的语言和文化环境中正常运行。

2.3 JRE功能

1. 跨平台运行

JRE的设计使得Java程序可以在多种操作系统上运行，包括Windows、Linux、macOS等。这种跨平台的能力是Java语言的一大优势，使得开发者无需为不同的操作系统编写特定的代码。

1. 内存和资源管理

JVM负责管理程序的内存分配和回收，这一过程对开发者来说是透明的。垃圾回收机制（Garbage Collection）可以自动回收不再使用的内存，减轻了开发者的负担，并提高了程序的性能。

1. 安全性保障

JRE提供了沙箱（Sandbox）模型，限制了程序对本地资源的访问。这种安全机制防止了恶意代码的执行，保护了用户的系统安全。此外，JRE还提供了加密、安全通信等安全特性，确保数据的安全性。

1. 国际化和本地化

JRE的支持文件使得Java程序能够适应不同的语言和文化环境。这包括对不同字符集的支持、日期和时间格式的本地化、货币和数字的格式化等。这些功能对于开发全球市场的产品至关重要。

03 JVM：Java虚拟机

3.1 JVM概念

Java虚拟机（JVM）是一个虚拟的计算机执行环境，用于执行Java字节码。JVM是Java运行时环境的一部分，它使得Java程序能够在任何安装了JVM的操作系统上运行，而不需要对代码进行修改。这种能力是Java语言“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere）理念的基础。

3.2 JVM组成

1. 类加载器（Class Loaders）

JVM使用类加载器来动态加载类文件。类加载器按照类的全限定名查找字节码文件，并将其加载到JVM内存中。这个过程是实现Java动态扩展性的关键。

1. 运行时数据区（Runtime Data Areas）

JVM在执行Java程序时，会创建和管理一组运行时数据区域，这些区域包括：

方法区（Method Area）：存储类结构，如运行时常量池、字段和方法数据。

堆（Heap）：存储对象实例和数组。

栈（Stack）：存储局部变量和方法调用的上下文。

程序计数器（Program Counter Register）：存储当前线程执行的字节码指令地址。

本地方法栈（Native Method Stacks）：支持本地方法（如C/C++编写的方法）的执行。

1. 执行引擎（Execution Engine）

执行引擎是JVM的核心部分，它负责将字节码转换为机器码并执行。执行引擎有两种主要的工作模式：解释执行和即时编译（JIT）。

3.3 JVM功能

1. 跨平台执行

JVM提供了一个与操作系统和硬件无关的运行环境，使得Java程序可以在任何支持JVM的平台上运行。这种特性使得Java成为了开发跨平台应用程序的理想选择。

1. 内存管理

JVM自动管理程序的内存，包括对象的创建和垃圾回收。这减轻了开发者的负担，让他们可以专注于程序逻辑而不是内存管理。

1. 加密安全

JVM提供了沙箱（Sandbox）安全模型，限制了程序对本地资源的访问。此外，JVM还提供了加密和安全通信的支持，确保了程序的安全性。

1. 性能优化

JVM通过即时编译（JIT）和垃圾回收（GC）策略优化程序的性能。JIT编译器将热点代码（频繁执行的代码）编译为本地机器码以提高执行效率。垃圾回收机制自动回收不再使用的对象，优化内存使用。

3.4 JVM工作原理

1. 编译

Java源代码首先被Java编译器（javac）编译成字节码，生成.class文件。这些字节码是平台无关的，可以跨操作系统和硬件平台运行。

1. 加载

JVM中的类加载器（Class Loader）负责加载这些.class文件到JVM中。类加载器按照类的全限定名查找字节码文件，并将其加载到JVM内存中。

1. 验证

加载后的字节码在执行前需要经过验证，确保字节码是有效的、格式正确的，并且不会违反JVM的安全限制。

1. 执行

验证通过的字节码可以被JVM执行。JVM的执行引擎将字节码解释执行或通过即时编译器（JIT）将字节码编译为本地机器码再执行，以提高性能。

3.5 JVM优势

1. 简化开发

由于JVM的跨平台特性，开发者只需编写一次代码，就可以在多个平台上运行，大大简化了开发过程。

1. 提高代码可靠性

JVM的内存管理和异常处理机制确保了代码的可靠性。自动垃圾回收减少了内存泄漏的风险，异常处理机制使得错误更容易被发现和处理。

1. 增强程序安全性

JVM的沙箱模型和安全特性保护了程序免受恶意代码的侵害。这为开发安全敏感的应用程序提供了坚实的基础。

1. 性能与可维护性

JVM的性能优化技术，如JIT编译和垃圾回收，提高了程序的执行效率。同时，Java语言的面向对象特性和JVM提供的监控工具增强了程序的可维护性。

04 JDK、JRE与JVM的关系

JDK、JRE与JVM之间的关系可以分为以下几个关键点进行详细描述：

4.1 定义与功能

JDK（Java Development Kit）：JDK是Java开发者的主要工具包，它包含了JRE（Java运行环境）以及Java开发工具，如编译器（javac）和调试器（jdb）等。JDK主要用于开发Java应用程序，它提供了编译、运行和调试Java程序所需的所有工具。
JRE（Java Runtime Environment）：JRE是Java程序的运行环境，它包含了JVM（Java虚拟机）以及Java类库。JRE的主要作用是提供Java程序运行所需的运行时环境，使得开发者能够在不同的操作系统上运行Java程序。
JVM（Java Virtual Machine）：JVM是Java程序的核心运行环境，它负责解释和执行Java字节码。JVM具有跨平台性，能够在不同的操作系统上运行相同的Java程序。

4.2 关系与层次

JVM与JRE的关系：JVM是JRE的核心组件，JRE包含了JVM以及Java类库。JVM提供了Java程序的运行环境，而Java类库则提供了丰富的功能和工具，使得开发者能够更方便地开发Java程序。
JRE与JDK的关系：JRE是JDK的一部分，JDK包含了JRE以及Java开发工具。JDK是开发Java程序的主要工具包，而JRE则是运行Java程序所必需的运行时环境。
三者之间的层次关系：从层次结构上看，JDK是最顶层，它包含了JRE；而JRE又包含了JVM。这种层次关系体现了Java平台的构建原则，即“一次编写，到处运行”。

4.3 作用与重要性

JVM的作用：JVM是Java程序的核心运行环境，它负责解释和执行Java字节码。JVM的跨平台性使得Java程序能够在不同的操作系统上运行，而无需对代码进行任何修改。
JRE的作用：JRE提供了Java程序运行所需的运行时环境，包括JVM和Java类库。JRE使得开发者能够在不同的操作系统上运行Java程序，而无需关心底层操作系统的细节。
JDK的作用：JDK是Java开发者的主要工具包，它提供了开发Java程序所需的所有工具和库。JDK使得开发者能够更方便地编写、编译、调试和运行Java程序。

综上所述，JDK、JRE和JVM是Java平台的三个重要概念，它们之间的关系紧密而有序。JDK包含了JRE和Java开发工具，JRE包含了JVM和Java类库，而JVM则是Java程序的核心运行环境。这种层次关系使得Java程序能够在不同的操作系统上运行，而无需对代码进行任何修改，从而实现了“一次编写，到处运行”的目标。

05 JDK、JRE与JVM的相关命令

在命令行中，JDK（Java Development Kit）、JRE（Java Runtime Environment）和JVM（Java Virtual Machine）各自发挥着不同的作用，并提供了特定的命令来执行各种任务。

5.1 JDK（Java Development Kit）

编译和打包

javac：用于编译Java源代码文件（.java）为字节码文件（.class）。
```
javac HelloWorld.java
```
jar：用于创建、查看或提取JAR文件。
```
jar cvf HelloWorld.jar HelloWorld.class
```

调试

jdb：是Java的调试器，允许开发者在命令行中调试Java程序。
```
jdb HelloWorld
```

文档生成

javadoc：从Java源代码中提取注释并生成API文档。
```
javadoc HelloWorld.java
```

其他工具

javap：显示Java类文件中的信息，如字节码、本地变量表、行号表等。
```
javap HelloWorld
```
jstack：生成Java线程堆栈跟踪，用于诊断线程问题。
```
jstack [pid]
```

5.2 JRE（Java Runtime Environment）

执行Java程序

java：用于执行JAR文件或包含main方法的类。
```
java -jar HelloWorld.jar
```
或
```
java HelloWorld
```

JVM命令行选项

可以通过java命令传递各种JVM选项来调整Java程序的运行配置，例如：
```
java -Xmx512m -Xms64m HelloWorld
```
上述命令设置了最大堆内存为512MB，初始堆内存为64MB。

5.3 JVM（Java Virtual Machine）

JVM参数和诊断工具

jps：显示指定系统内的所有Java虚拟机进程。
```
jps
```
jinfo：显示Java虚拟机的配置信息，包括Java系统属性和JVM命令行参数。
```
jinfo -flags [pid]
```
jstat：用于监视Java虚拟机各种运行状态信息，如类加载、垃圾收集、内存使用等。
```
jstat -gc [pid]
```
jmap：生成Java堆转储映射文件，通常用于内存泄漏分析。
```
jmap -dump:format=b,file=heap.bin [pid]
```
jhat：与jmap配合使用，分析堆转储文件。
```
jhat heap.bin
```
jstack：生成Java线程的堆栈跟踪，用于诊断线程问题。
```
jstack [pid]
```
jconsole：内置Java性能分析器，可以从命令行或在GUI shell中运行，用于监控Java应用程序性能和跟踪Java中的代码。
```
jconsole
```