JVM

In diesem Artikel steht die Java Virtual Machine, kurz JVM, im Mittelpunkt der Betrachtung. Du erfährst auf einfache Weise, was JVM ist, wie sie funktioniert und warum sie so essentiell für die Programmierung ist. Außerdem gibt es einen Überblick über die verschiedenen JVM Sprachen und praktische Übungen, um das Gelernte direkt anzuwenden. Vor allem die Unterschiede zwischen JVM 8 und JVM 11 werden detailliert erläutert. Bereite dich darauf vor, tief in die Welt der JVM einzutauchen und dein Verständnis für die Informatik beträchtlich zu erweitern.

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Inhaltsangabe

    JVM: Die einfache Erklärung

    JVM, das ist die Abkürzung für Java Virtual Machine, eine Schlüsselkomponente der Java-Plattform. Die JVM ist verantwortlich dafür, dass Java den Titel "Write Once, Run Anywhere" behaupten kann und erlaubt es, Code auf jeder Plattform auszuführen, die eine JVM unterstützt.

    Die JVM ist eine virtuelle Maschine, die Bytecode ausführt, der von dem Java-Compiler generiert wurde. Der Bytecode ist die Zwischenrepräsentation des Java-Codes, die unabhängig von der Hardware ist und auf jeder Maschine ausgeführt werden kann, auf der eine JVM installiert ist.

    Stelle dir vor, du hast eine Java-Anwendung geschrieben und möchtest sie auf verschiedenen Betriebssystemen ausführen wie Windows, Linux und MacOS. Dank der JVM musst du deinen Code nicht für jedes Betriebssystem neu schreiben oder kompilieren. Du schreibst deinen Code einmal in Java, kompilierst ihn zu Bytecode und dieser Bytecode kann dann auf jeder Plattform laufen, die eine JVM unterstützt.

    JVM Definition und Basics

    Die Architektur der JVM ist so konzipiert, dass sie unterschiedliche Klassenlade- und Ausführungsmodelle für verschiedene Arten von Code unterstützt. Das ermöglicht eine breite Palette von Programmierstilen und -techniken.

    Neben der Ausführung von Bytecode bietet die JVM auch Dienste wie automatische Speicherbereinigung (Garbage Collection), Sicherheit gegen nicht autorisierten Code und unterstützt die Ausführung von Nebenläufigkeit zwischen verschiedenen Teilen einer Anwendung.

    Wenn du ein Java-Programm schreibst und es kompilierst, wird es zu Bytecode konvertiert, der dann von der JVM ausgeführt wird. Wenn Java-Programme laufen, interagiert die JVM mit dem Betriebssystem und nutzt dessen Ressourcen, beispielsweise Speicher und CPU-Zeit.

    Wofür wird JVM gebraucht?

    Die JVM hat vielfältige Anwendungsfälle, von der Desktop-Programmierung über mobile Apps und Web-Anwendungen bis hin zu Enterprise-Level-Servern und Supercomputern. Sie ist ideal für den Einsatz in verteilter Umgebung dank ihrer Plattformunabhängigkeit.

    Die Technische Funktionsweise der Java Virtual Machine

    Die JVM führt den Bytecode Zeile für Zeile aus. Bei der Ausführung wird die JVM von der Java Runtime Environment (JRE) unterstützt, welche die JVM, die Java-Klassenbibliotheken und den Java-Klassenlader enthält.

    Ein interessantes Detail ist die Arbeit mit dem Java-Speichermodell. Jede JVM verfügt über einen Heap-Speicher, der zur Laufzeit von Java-Anwendungen für dynamische Speicherzuweisung genutzt wird. Es gibt auch einen Methodenbereich, der Klassenstrukturen speichert, wie Laufzeitkonstantenpools und Code für Methoden und Konstruktoren. Ein PC-Register enthält die Adresse der aktuellen JVM-Anweisung, die ausgeführt wird, wenn es sich um einen nativen Methoden-Thread handelt, und ein Java-Stack speichert lokale Variablen und partielle Ergebnisse und spielt eine Rolle bei Methodenaufruf und Rückkehr.

    JVM 8 vs JVM 11: Die Unterschiede

    Die JVM hat im Laufe der Jahre mehrere große Updates erlebt. Eines der bemerkenswertesten Updates ist die Weiterentwicklung von JVM 8 zu JVM 11.

    Einige der wichtigsten Unterschiede zwischen JVM 8 und JVM 11 sind die Streichung einiger weniger genutzter GC-Algorithmen (Garbage Collection) in JVM 11, Änderungen in der Lizenz und Support Richtlinien und die Einführung neuer Features wie das var keyword und die Epsilon GC Algorithmen in JVM 11.

    Ein Beispiel für die Unterschiede zwischen JVM 8 und JVM 11 ist die Verwendung des Keywords 'var'. In JVM 8 musstest du immer noch den genauen Typ von Variablen angeben, aber mit JVM 11 wurde das Keyword 'var' eingeführt, das es dir erlaubt, den Typ von lokalen Variablen automatisch vom Compiler inferieren zu lassen.

    JVM Sprachen: Ein Überblick

    Die Java Virtual Machine (JVM) ist nicht nur auf die Ausführung von Java-Programmen beschränkt. Tatsächlich unterstützt die JVM eine Reihe von Programmiersprachen, und jede von ihnen kann ihre eigenen einzigartigen Funktionen und Fähigkeiten zur JVM hinzufügen.

    JVM-Sprachen sind Programmiersprachen, die auf der Java Virtual Machine ausgeführt werden. Während Java die bekannteste dieser Sprachen ist, gibt es viele andere, die sich durch ihre eigene Syntaxis und Semantik, sowie durch die Fähigkeit auszeichnen, bestehenden Java-Code zu nutzen. Einige der bekanntesten JVM-Sprachen sind neben Java selbst Scala, Kotlin, Groovy und Clojure.

    Die Wahl der Programmiersprache hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Anforderungen des Projekts, der Vorlieben des Entwicklungsteams und der Verfügbarkeit von Bibliotheken und Frameworks.

    Populäre Programmiersprachen und ihre Anwendung in JVM

    In der Welt der JVM-Sprachen gibt es viele Möglichkeiten. Hier betrachten wir einige der populärsten und ihre Anwendung im Kontext der JVM.

    • Java: Als Urvater und Hauptanwendung der JVM, bleibt Java eine beliebte Wahl für viele Entwickler. Gerade für große Unternehmensanwendungen wird Java oft bevorzugt.
    • Scala: Scala ermöglicht es, funktionalen und objektorientierten Code zu mischen. Sie bietet eine starke Statisierung, was das Erstellen komplexer Systeme vereinfacht.
    • Kotlin: Kotlin wurde von JetBrains entwickelt und ist bekannt für seine Interoperabilität mit Java sowie für seine Null-Sicherheits- und Syntax-Süße.
    • Groovy: Groovy ist ideal für Skripting und schnelle Anwendungsentwicklung. Es bietet eine dynamische Typisierung und einen lesefreundlichen Syntax.
    • Clojure: Clojure ist eine funktionale Sprache, die Lisp ähnelt und Nebenläufigkeit und Immutabilität betont.

    Obwohl diese Programmiersprachen unterschiedliche Syntaxen und Paradigmen haben, können sie alle in Bytecode umgewandelt und auf der JVM ausgeführt werden.

    Bytecode ist die maschinennahe Darstellung von Code, die von der JVM ausgeführt wird. Er kann plattformunabhängig ausgeführt werden, solange eine JVM vorhanden ist.

    Beispiel: Wie man eine Sprache in JVM verarbeitet

    Nehmen wir ein Beispiel, wie man eine Programmiersprache in JVM verarbeitet, mit Kotlin als konkretem Fall.

    Du beginnst mit einem Kotlin-Quellcode. Dieser Quellcode wird dann durch den Kotlin-Compiler genommen, wo er in Bytecode umgewandelt wird. Dieser Bytecode ist nichts anderes als eine Reihe von Anweisungen, die von der JVM verstanden werden können. Sobald diese Umwandlung abgeschlossen ist, kann dieser Bytecode auf jeder JVM ausgeführt werden.

      Code 
      Kotlin Code -> Kotlin Compiler -> Bytecode -> JVM 
    

    Nun ist dein Kotlin-Code wirklich plattformunabhängig. Es ist nicht wichtig, ob die JVM auf einer Windows, Linux oder MacOS Maschine läuft; solange es eine JVM gibt, kann dein Kotlin-Programm ausgeführt werden.

    Angenommen, du hast eine Kotlin-Funktion, die ein Hallo-Welt-Programm ausführt. Dein Quellcode könnte so aussehen:

      Code 
      fun main() {
          println("Hallo Welt!")
      }
    

    Wenn du diesen Code durch den Kotlin-Compiler laufen lässt, wird er in Bytecode umgewandelt, den die JVM ausführen kann. Die Tatsache, dass dein Code nun in einer Form vorliegt, die von der JVM unabhängig vom zugrundeliegenden Betriebssystem ausgeführt werden kann, macht ihn extrem portabel.

    JVM Übung: Lernen durch Anwendung

    Nachdem wir die Theorie hinter der Java Virtual Machine (JVM) besprochen haben, ist es an der Zeit, dein Wissen durch praktische Übungen zu festigen. Das Lernen durch Anwendung ist ein effizienter Weg, um komplexe Konzepte in der Informatik zu verstehen. Nehmen wir nun einige Beispiele von Anwendungen in der JVM und sehen, wie wir diese Konzepte in Aktion bringen können.

    Beispiele von JVM Anwendungen

    Die JVM ist eine wertvolle Komponente vieler Arten von Anwendungen. Von Desktop-Anwendungen und mobilen Apps über Webserver bis hin zu Unternehmensanwendungen - alle profitieren von den Vorteilen der JVM.

    Die Plattformunabhängigkeit ist ein Hauptvorteil der JVM und ermöglicht es Entwicklern, Anwendungen auf einer Vielzahl von Betriebssystemen und Architekturen auszuführen. Das erlaubt es, Code einmal zu schreiben und überall auszuführen, was die Entwicklungszeit erheblich reduziert. Die JVM stellt auch sicher, dass Anwendungen stabil und sicher sind, da sie einen Sandkasten (Sandbox) für die Ausführung von Code bereitstellt, das isoliert von den realen Systemressourcen ist.

    Im Folgenden sind drei Beispiele von JVM-Anwendungen:

    1. Desktop-Anwendungen: Java ist die Basis vieler Desktop-Anwendungen, die auf der JVM laufen. Ein bekanntes Beispiel ist die Integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) IntelliJ IDEA von JetBrains, die in Java geschrieben ist und auf der JVM läuft.
    2. Webanwendungen: Viele Webanwendungen und Webserver laufen auf der JVM. Das Java Enterprise Edition (Java EE) Framework ist ein Standard für die Entwicklung von Webanwendungen in Java und basiert auf der JVM.
    3. Big Data-Anwendungen: Das Apache Hadoop-Ökosystem für Big-Data-Anwendungen verwendet die JVM für die Verarbeitung von großen Datenmengen. Das Hadoop-Ökosystem beinhaltet eine Vielzahl von Projekten einschließlich Apache Spark, das ebenfalls auf der JVM läuft.

    Die praktische Anwendung von JVM 11

    Jetzt, da du mit einigen Anwendungsbeispielen von JVM vertraut bist, schauen wir uns die praktische Anwendung von JVM 11, einer der neuesten Versionen der JVM, an.

    JVM 11 ist eine Long-Term-Support (LTS)-Version der JVM, die einige neue Features und Verbesserungen gegenüber ihren Vorgängern einführt. Diese umfassen Verbesserungen bei der Garbage Collection, die Einführung des var-Schlüsselwortes für inferrred Typisierung, das Entfernen von einigen wenig genutzten Garbage Collection-Algorithmen und vieles mehr.

    Stellen wir uns vor, du möchtest ein Java-Programm schreiben, das eine Liste von Zahlen sortiert. Angenommen, du möchtest die neuen var- Bezeichner von JVM 11 verwenden, um den Typ der Liste automatisch ableiten zu lassen, anstatt ihn manuell zu spezifizieren. Hier ist, wie du das machen würdest:

      Code 
      import java.util.Arrays;
      import java.util.List;
    
      public class SortNumbers {
          public static void main(String[] args) {
              var numbers = Arrays.asList(5, 1, 3, 2, 4);
              numbers.sort(null);
              System.out.println(numbers);
          }
      }
      

    In diesem Beispiel lässt du den Compiler den Typ der Liste numbers aus der zugewiesenen Value Arrays.asList(5, 1, 3, 2, 4) ableiten, anstatt den Typ explizit zu spezifizieren. Dies ist eine der neuen Funktionen, die mit JVM 11 eingeführt wurden.

    JVM - Das Wichtigste

    • JVM (Java Virtual Machine) als Schlüsselkomponente der Java-Plattform, die Java-Bytecode ausführt und Code auf jeder Plattform ausführen kann, die eine JVM unterstützt.
    • Die Eigenschaften der JVM wie automatische Speicherbereinigung (Garbage Collection), Sicherheit gegen nicht autorisierten Code und Unterstützung der Ausführung von Nebenläufigkeit zwischen verschiedenen Teilen einer Anwendung.
    • Die Unterschiede zwischen JVM 8 und JVM 11, beinhaltet die Streichung einiger weniger genutzter GC-Algorithmen in JVM 11, Änderungen in der Lizenz und Support Richtlinien, und die Einführung neuer Features.
    • Unterstützung von JVM für verschiedene Programmiersprachen wie Scala, Kotlin, Groovy und Clojure, neben Java selbst.
    • Technische Funktionsweise der JVM in Bezug auf das Ausführen von Bytecode, ihre Interaktion mit dem Betriebssystem und Verwendung von Ressourcen wie Speicher und CPU-Zeit.
    • Praktische Übungen und Anwendungsbeispiele von JVM in verschiedenen Bereichen, von der Desktop-Programmierung bis zu Big Data-Anwendungen.
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    Häufig gestellte Fragen zum Thema JVM
    Was ist der Unterschied zwischen der Java Virtual Machine (JVM) und der Java Runtime Environment (JRE)?
    Die Java Virtual Machine (JVM) ist die Abstraktionsschicht, die Java-Code ausführt und isoliert, während die Java Runtime Environment (JRE) zusätzlich zur JVM die notwendigen Bibliotheken und Ressourcen bereitstellt, um Java-Anwendungen ausführen zu können.
    Was sind die Hauptfunktionen der Java Virtual Machine (JVM)?
    Die Hauptfunktionen der Java Virtual Machine (JVM) sind die Ausführung von Bytecode, die Speicherverwaltung und die Bereitstellung einer plattformunabhängigen Umgebung für Java-Anwendungen. Sie sorgt auch für die Sicherheit und Effizienz des ausgeführten Codes.
    Wie funktioniert die Speicherverwaltung in der Java Virtual Machine (JVM)?
    Die JVM verwaltet den Speicher in geteilten Bereichen, die als Heap, Stack, Metadaten und PC-Register bekannt sind. Das Heap ist für die dynamische Datenspeicherung zuständig, während der Stack für den Verlauf der Methode verwendet wird. Der Garbage Collector der JVM überwacht den Heap, um ungenutzten Speicher freizugeben.
    Wie ist die Architektur der Java Virtual Machine (JVM) aufgebaut?
    Die Architektur der JVM besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Classloader-Subsystem, dem Runtime-Datenbereich und der Ausführungseinheit. Der Classloader lädt die Klassen in die JVM, der Runtime-Datenbereich speichert Variablen und das System stellt die Ausführungsumgebung bereit.
    Was bedeutet JVM-Tuning und warum ist es wichtig?
    JVM-Tuning bezeichnet die Optimierung der Java Virtual Machine (JVM), um die Leistung von Java-Anwendungen zu verbessern. Es ist wichtig, da es eine effizientere Nutzung von Ressourcen ermöglicht, die Systemleistung verbessert und potenzielle Engpässe oder Leistungsprobleme behebt.

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    Was ist die JVM (Java Virtual Machine) und wofür wird sie benötigt?

    Was sind einige der Dienste, die die JVM bietet?

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