關於JVM與GraalVM，此篇稍微紀錄一下GraalVM研讀。不過在理解GraalVM之前須先理解何謂JVM。了解JVM才有辦法理解GraalVM與他的差異之處。

關於JVM

我們要在機台上跑Java Code，一般都需要安裝設置JVM。JVM是一個虛擬機器，它讓Java程式能夠在不同的操作系統和硬體架構上執行。Java以「一次編寫，隨處執行」為理念，這是因為JVM將Java的bytecode翻譯為機器的指令。JVM不僅能運行Java，還支援許多語言如Kotlin、Scala、Groovy等。

要讓Java程式在任何設備上執行，流程如下：

.java → javac → .class(bytecode) → JVM → 機器碼 → 執行

這個流程代表從程式碼經過編譯產生bytecode，JVM會將這些bytecode翻譯成機器能夠理解的指令來執行。JVM的核心功能即是透過Interpretation或JIT Compilation來完成這個任務。

• Interpretation : JVM 會逐行讀取 bytecode，並逐行將每個指令翻譯成相應的機器語言，再交由處理器執行。
• JIT Compilation : JIT 是在程式運行時，將常用的 bytecode 片段轉換為機器語言，並進行優化，以加速後續的執行。也就是說，當 JVM 偵測到某些程式碼頻繁被執行時，它會將這些部分直接轉換成機器語言，這樣後續的執行不再需要每次都解釋，能大幅提升效能。

架構概念

基本上對於Java開發者，較鮮少往JVM的架構去研讀，一般都是JRE安裝好後，確定Java Code能運行就止住了。但要深入了解GraalVM，建議對於JVM是需要一定的認知的。但這區塊會比較偏向編譯器和運行時系統的底層實現，基本上只要過一下大概即可。

會focus在最底層的編譯部分(Execution Engine)，後面會對這一塊多加解釋

下圖為JVM的架構概念圖，

基本上分三個區塊

• Class Loader（類別加載器）

  類別加載器負責將磁碟上的 .class 檔案（即編譯好的bytecode）載入JVM的記憶體中。這個過程包括了：

  • 類別檢驗（Class Verification）：類別檢驗是類別加載流程的第一步，用來保證載入的 .class 檔案是正確且不會破壞JVM的安全性或穩定性。JVM透過這個過程來確認：

    • 檔案格式檢驗：檢查 .class 檔案是否符合Java Class File的結構規範，例如是否有正確的標頭（magic number）、版本號是否支援、是否包含正確的常量池和正確的欄位/方法資訊。
    • 位元碼檢驗：確保類別中的Java bytecode符合JVM規範。例如，操作碼是否有效，操作數是否正確，跳轉指令是否指向正確的邊界等。
    • 語義檢驗：檢查類別和方法的語法規則。例如，確保方法的回傳值和參數型別正確，確保類別中使用的繼承、實作關係是合法的。
    • 符號檢驗：檢查引用的類別是否正確且可用，並確認引用的變數、方法、常量等是否存在於被引用的類別或介面中。

    這個步驟的主要目的是保證bytecode在執行時不會違反Java語言的規範和JVM的執行規則，從而確保Java應用的安全性和穩定性。

  • 類別解析（Class Resolution）

    類別解析的主要任務是將.class檔案中使用的符號引用（Symbolic Reference）轉換為JVM的直接引用（Direct Reference）。符號引用是指在編譯階段，用文字描述的引用關係，例如某個變數或方法的名稱。直接引用則是指記憶體中的真實位置，這樣JVM可以快速存取變數或方法。

    這個步驟包括以下內容：

    • 欄位解析：將類別中的欄位符號（例如變數名稱）解析為實際記憶體位址，讓JVM可以直接讀取或寫入這些變數。
    • 方法解析：將方法的符號名稱（例如方法的名稱和簽名）解析為實際的方法記憶體位址，這樣執行時可以快速跳轉到正確的方法執行。
    • 類別和介面解析：將符號化的類別名稱和介面名稱解析為JVM記憶體中的具體類別和介面結構，這讓類別之間的繼承和實作關係可以正確建立。

  • 類別初始化（Class Initialization）

    類別初始化是類別加載的最後一個步驟，這個步驟負責執行類別的靜態程式碼和初始化靜態變數。它的主要任務包括：

    • 靜態變數初始化：對類別中宣告的靜態變數進行賦值。例如，若一個類別有靜態變數static int a = 5;，那麼在初始化時，JVM會為這個變數分配記憶體並賦值為5。
    • 靜態程式區塊執行：如果類別包含靜態程式碼區塊（static { ... }），這些程式碼會在初始化階段被執行，通常用來進行類別層級的初始化操作。例如，可能會初始化某些靜態資源或執行一些一次性的設置操作。

• JVM 記憶體區域

  JVM內部分成幾個重要的記憶體區域，分別用於不同的目的：主要職責：存放 JVM 運行時所需的資料，例如類別的資訊、物件、執行緒棧等

  • Method Area: 這裡存放類別結構相關的信息，如運行時常量池(Runtime Constant Pool)、字段(Fields)和方法數據(Method Data)、構造方法(Constructors)等。
  • Heap : 這是JVM中最主要的記憶體區域，所有的物件和陣列都在這裡分配記憶體。
  • Stack : ****每個執行緒都有自己的Java Stack，用來儲存該執行緒的區域變數、方法參數和方法調用記錄。每個方法的調用對應一個「stack frame」。
  • PC Registers : 每個執行緒都有自己的PC Register，用來保存當前執行的Java方法的bytecode指令地址。
  • Native Method Stacks: 與JVM Language Stacks相似，這裡保存非Java語言的方法，如C、C++，這是JVM和本地系統互動的橋樑。

• 執行與原生互動層

  是JVM的核心部分，負責實際執行Java的bytecode並處理JVM與本地系統之間的互動。

  • Execution Engine（執行引擎）：

    執行JVM內的bytecode。它可以直接解釋執行bytecode，或通過即時編譯器（JIT Compiler）將bytecode轉換為機器碼後執行。執行引擎的設計目的是優化Java程式的運行效能。

    • 直譯執行 : 逐條直譯並執行bytecode，這種方式在程式初次運行時較慢，但實現靈活。
    • JIT編譯 : 當程式中的某段程式頻繁被執行時，JIT編譯器會將這段bytecode轉換為直接的機器碼，這樣後續運行時可以節省重複直譯的時間，提升效能。

  • Native Method Interface（原生方法介面）：

    JVM透過JNI與本地程式碼進行互動，使得Java程式可以呼叫非Java程式語言撰寫的函式，例如C或C++撰寫的本地函式。

  • Native Method Libraries（原生方法函式庫）

    這些函式庫包含使用非Java語言（如C或C++）實作的函式，Java程式可以透過JNI呼叫這些函式來與本地系統互動。

上述JVM解析內容 可以被視為一個框架實作參考，它是一套標準的執行環境，用來運行 Java 和其他 JVM 兼容語言的程式。開發者可以專注在編寫和運行程式，不用關心底層的硬體和作業系統。而這個框架本身並不依賴於特定的硬體或作業系統，是通過實現虛擬化層來抽象底層的細節，使得應用程式能夠跨平台運行。

實作 JVM 的方式有很多，不同的 JVM 實作可能會針對特定需求進行優化。常見的 JVM 實作包括：

• HotSpot JVM（Oracle）：最常見的 JVM 實作，針對高效能應用進行了深度優化，並支持即時編譯（JIT）技術 。
• OpenJ9（IBM）：專注於節省內存使用和啟動時間的 JVM 實作，適合雲端和資源受限的環境。
• GraalVM：一個多語言虛擬機，除了傳統 JVM 功能，還能夠將 Java 應用編譯成原生可執行檔，提升啟動速度和效能。

不同的實作方式允許開發者根據應用場景的需求，選擇最適合的 JVM 版本來獲得最佳性能。