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JVM

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JVM

JVM（Java Virtual Machine）,即Java虛擬機，又名爪哇虛擬器，是一個虛構(gòu)出來的計算機，通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。Java虛擬機有自己完善的硬體架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。

JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使得Java程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行。

簡介[ ]

JVM

Java語言的一個非常重要的特點就是與平臺的無關(guān)性。而使用Java虛擬機是實現(xiàn)這一特點的關(guān)鍵。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運行，至少需要編譯成不同的目標(biāo)代碼。而引入Java語言虛擬機后，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯。

Java語言使用模式Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標(biāo)代碼(字節(jié)碼)，就可以在多種平臺上不加修改地運行。Java虛擬機在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。

Java虛擬機是Java語言底層實現(xiàn)的基礎(chǔ)，對Java語言感興趣的人都應(yīng)對Java虛擬機有個大概的了解。這有助于理解Java語言的一些性質(zhì)，也有助于使用Java語言。對于要在特定平臺上實現(xiàn)Java虛擬機的軟件人員，Java語言的編譯器作者以及要用硬件芯片實現(xiàn)Java虛擬機的人來說，則必須深刻理解Java虛擬機的規(guī)范。另外，如果你想擴展Java語言，或是把其它語言編譯成Java語言的字節(jié)碼，你也需要深入地了解Java虛擬機。

JVM(Java虛擬機)一種用于計算設(shè)備的規(guī)范，可用不同的方式（軟件或硬件）加以實現(xiàn)。編譯虛擬機的指令集與編譯微處理器的指令集非常類似。Java虛擬機包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域。

Java虛擬機(JVM)是可運行Java代碼的假想計算機。只要根據(jù)JVM規(guī)格描述將解釋器移植到特定的計算機上，就能保證經(jīng)過編譯的任何Java代碼能夠在該系統(tǒng)上運行。

Java虛擬機是一個想象中的機器,在實際的計算機上通過軟件模擬來實現(xiàn)。Java虛擬機有自己想象中的硬件,如處理器、堆棧、寄存器等,還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)類型[ ]

JVM 3.gif

Java虛擬機支持Java語言的基本數(shù)據(jù)類型如下：

  • byte：//1字節(jié)有符號整數(shù)的補碼
  • short：//2字節(jié)有符號整數(shù)的補碼
  • int：//4字節(jié)有符號整數(shù)的補碼
  • long：//8字節(jié)有符號整數(shù)的補碼
  • float：//4字節(jié)IEEE754單精度浮點數(shù)
  • double：//8字節(jié)IEEE754雙精度浮點數(shù)
  • char：//2字節(jié)無符號Unicode字符

Java類型檢查都是在編譯時完成的。上面列出的原始數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)在Java執(zhí)行時不需要用硬件標(biāo)記。操作這些原始數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的字節(jié)碼(指令)本身就已經(jīng)指出了操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型，例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把兩個數(shù)相加，其操作數(shù)類型別是int、long、float和double。

虛擬機沒有給boolean(布爾)類型設(shè)置單獨的指令。boolean型的數(shù)據(jù)是由integer指令，包括integer返回來處理的。boolean型的數(shù)組則是用byte數(shù)組來處理的。虛擬機使用IEEE754格式的浮點數(shù)。不支持IEEE格式的較舊的計算機，在運行Java數(shù)值計算程序時，可能會非常慢。

虛擬機支持的其它數(shù)據(jù)類型包括：

  • object//對一個Javaobject(對象)的4字節(jié)引用
  • returnAddress//4字節(jié)，用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

注：Java數(shù)組被當(dāng)作object處理。

虛擬機的規(guī)范對于object內(nèi)部的結(jié)構(gòu)沒有任何特殊的要求。在Sun公司的實現(xiàn)中，對object的引用是一個句柄，其中包含一對指針：一個指針指向該object的方法表，另一個指向該object的數(shù)據(jù)。用Java虛擬機的字節(jié)碼表示的程序應(yīng)該遵守類型規(guī)定。Java虛擬機的實現(xiàn)應(yīng)拒絕執(zhí)行違反了類型規(guī)定的字節(jié)碼程序。Java虛擬機由于字節(jié)碼定義的限制似乎只能運行于32位地址空間的機器上。

但是可以創(chuàng)建一個Java虛擬機，它自動地把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成64位的形式。從Java虛擬機支持的數(shù)據(jù)類型可以看出，Java對數(shù)據(jù)類型的內(nèi)部格式進行了嚴(yán)格規(guī)定，這樣使得各種Java虛擬機的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的解釋是相同的，從而保證了Java的與平臺無關(guān)性和可移植性。

規(guī)格描述[ ]

JVM的設(shè)計目標(biāo)是提供一個基于抽象規(guī)格描述的計算機模型，為解釋程序開發(fā)人員提范的任何系統(tǒng)上運行。JVM對其實現(xiàn)的某些方面給出了具體的定義，特別是對Java可執(zhí)行代碼，即字節(jié)碼(Bytecode)的格式給出了明確的規(guī)格。這一規(guī)格包括操作碼和操作數(shù)的語法和數(shù)值、標(biāo)識符的數(shù)值表示方式、以及Java類文件中的Java對象、常量緩沖池在JVM的存儲映象。這些定義為JVM解釋器開發(fā)人員提供了所需的信息和開發(fā)環(huán)境。Java的設(shè)計者希望給開發(fā)人員以隨心所欲使用Java的自由。 　　　　

JVM定義了控制Java代碼解釋執(zhí)行和具體實現(xiàn)的五種規(guī)格，它們是： 　　

  • JVM指令系統(tǒng) 　　
  • JVM寄存器 　　
  • JVM棧結(jié)構(gòu) 　　
  • JVM碎片回收堆 　　
  • JVM存儲區(qū)

指令系統(tǒng)[ ]

JVM指令系統(tǒng)同其他計算機的指令系統(tǒng)極其相似。Java指令也是由 操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼為8位二進制數(shù)，操作數(shù)進緊隨在操作碼的后面，其長度根據(jù)需要而不同。操作碼用于指定一條指令操作的性質(zhì)（在這里采用匯編符號的形式進行說明），如iload表示從存儲器中裝入一個整數(shù)，anewarray表示為一個新數(shù)組分配空間，iand表示兩個整數(shù)的“與”，ret用于流程控制，表示從對某一方法的調(diào)用中返回。

當(dāng)長度大于8位時，操作數(shù)被分為兩個以上字節(jié)存放。JVM采用了"big endian"的編碼方式來處理這種情況，即高位bits存放在低字節(jié)中。這同 Motorola及其他的RISC CPU采用的編碼方式是一致的，而與Intel采用的“l(fā)ittle endian”的編碼方式即低位bits存放在低位字節(jié)的方法不同。

Java指令系統(tǒng)是以Java語言的實現(xiàn)為目的設(shè)計的，其中包含了用于調(diào)用方法和監(jiān)視多先程系統(tǒng)的指令。Java的8位操作碼的長度使得JVM最多有256種指令，已使用了160多種操作碼。

寄存器[ ]

所有的CPU均包含用于保存系統(tǒng)狀態(tài)和處理器所需信息的寄存器組。如果虛擬機定義較多的寄存器，便可以從中得到更多的信息而不必對棧或內(nèi)存進行訪問，這有利于提高運行速度。然而，如果虛擬機中的寄存器比實際CPU的寄存器多，在實現(xiàn)虛擬機時就會占用處理器大量的時間來用常規(guī)存儲器模擬寄存器，這反而會降低虛擬機的效率。針對這種情況，JVM只設(shè)置了4個最為常用的寄存器。它們是：

  • pc程序計數(shù)器
  • optop操作數(shù)棧頂指針
  • frame當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境指針
  • vars指向當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境中第一個局部變量的指針?biāo)屑拇嫫骶鶠?2位。pc用于記錄程序的執(zhí)行。optop，frame和vars用于記錄指向Java棧區(qū)的指針

棧結(jié)構(gòu)[ ]

作為基于棧結(jié)構(gòu)的計算機，Java棧是JVM存儲信息的主要方法。當(dāng)JVM得到一個Java字節(jié)碼應(yīng)用程序后，便為該代碼中一個類的每一個方法創(chuàng)建一個?？蚣埽员４嬖摲椒ǖ臓顟B(tài)信息。每個棧框架包括以下三類信息：

  • 局部變量
  • 執(zhí)行環(huán)境
  • 操作數(shù)棧

局部變量用于存儲一個類的方法中所用到的局部變量。vars寄存器指向該變量表中的第一個局部變量。

執(zhí)行環(huán)境用于保存解釋器對Java字節(jié)碼進行解釋過程中所需的信息。它們是：上次調(diào)用的方法、局部變量指針和操作數(shù)棧的棧頂和棧底指針。執(zhí)行環(huán)境是一個執(zhí)行一個方法的控制中心。例如：如果解釋器要執(zhí)行iadd(整數(shù)加法)，首先要從frame寄存器中找到當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境，而后便從執(zhí)行環(huán)境中找到操作數(shù)棧，從棧頂彈出兩個整數(shù)進行加法運算，最后將結(jié)果壓入棧頂。

操作數(shù)棧用于存儲運算所需操作數(shù)及運算的結(jié)果

碎片回收堆[ ]

Java類的實例所需的存儲空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔(dān)為類實例分配空間的工作。解釋器在為一個實例分配完存儲空間后，便開始記錄對該實例所占用的內(nèi)存區(qū)域的使用。一旦對象使用完畢，便將其回收到堆中。

在Java語言中，除了new語句外沒有其他方法為一對象申請和釋放內(nèi)存。對內(nèi)存進行釋放和回收的工作是由Java運行系統(tǒng)承擔(dān)的。這允許Java運行系統(tǒng)的設(shè)計者自己決定碎片回收的方法。在SUN公司開發(fā)的Java解釋器和Hot Java環(huán)境中，碎片回收用后臺線程的方式來執(zhí)行。這不但為運行系統(tǒng)提供了良好的性能，而且使程序設(shè)計人員擺脫了自己控制內(nèi)存使用的風(fēng)險。

存儲區(qū)[ ]

JVM有兩類存儲區(qū)：常量緩沖池和方法區(qū)。常量緩沖池用于存儲類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區(qū)則用于存儲Java方法的字節(jié)碼。對于這兩種存儲區(qū)域具體實現(xiàn)方式在JVM規(guī)格中沒有明確規(guī)定。這使得Java應(yīng)用程序的存儲布局必須在運行過程中確定，依賴于具體平臺的實現(xiàn)方式。

JVM是為Java字節(jié)碼定義的一種獨立于具體平臺的規(guī)格描述，是Java平臺獨立性的基礎(chǔ)。JVM還存在一些限制和不足，有待于進一步的完善，但無論如何，JVM的思想是成功的。

對比分析：如果把Java原程序想象成C++原程序，Java原程序編譯后生成的字節(jié)碼就相當(dāng)于C＋＋原程序編譯后的80x86的機器碼（二進制程序文件），JVM虛擬機相當(dāng)于80x86計算機系統(tǒng)，Java解釋器相當(dāng)于80x86CPU。在80x86CPU上運行的是機器碼，在Java解釋器上運行的是Java字節(jié)碼。

Java解釋器相當(dāng)于運行Java字節(jié)碼的“CPU”，但該“CPU”不是通過硬件實現(xiàn)的，而是用軟件實現(xiàn)的。Java解釋器實際上就是特定的平臺下的一個應(yīng)用程序。只要實現(xiàn)了特定平臺下的解釋器程序，Java字節(jié)碼就能通過解釋器程序在該平臺下運行，這是Java跨平臺的根本。當(dāng)前，并不是在所有的平臺下都有相應(yīng)Java解釋器程序，這也是Java并不能在所有的平臺下都能運行的原因，它只能在已實現(xiàn)了Java解釋器程序的平臺下運行。

JVM的運行過程[ ]

虛擬機通過調(diào)用某個指定類的方法main啟動，傳遞給main一個字符串?dāng)?shù)組參數(shù)，使指定的類被裝載，同時鏈接該類所使用的其它的類型，并且初始化它們。例如對于程序： 

　　class HelloApp
　　{
　　public static void main(String[] args)
　　{
　　System.out.println("Hello World!");
　　for (int i = 0; i < args.length; i++ )
　　{
　　System.out.println(args);
　　}
　　}
　　}

編譯后在命令行模式下鍵入： java HelloApp run virtual machine

將通過調(diào)用HelloApp的方法main來啟動java虛擬機，傳遞給main一個包含三個字符串"run"、"virtual"、"machine"的數(shù)組?，F(xiàn)在我們略述虛擬機在執(zhí)行HelloApp時可能采取的步驟。

開始試圖執(zhí)行類HelloApp的main方法，發(fā)現(xiàn)該類并沒有被裝載，也就是說虛擬機當(dāng)前不包含該類的二進制代表，于是虛擬機使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進制代表。如果這個進程失敗，則拋出一個異常。類被裝載后同時在main方法被調(diào)用之前，必須對類HelloApp與其它類型進行鏈接然后初始化。鏈接包含三個階段：檢驗，準(zhǔn)備和解析。

檢驗檢查被裝載的主類的符號和語義，準(zhǔn)備則創(chuàng)建類或接口的靜態(tài)域以及把這些域初始化為標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)值，解析負(fù)責(zé)檢查主類對其它類或接口的符號引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對類中聲明的靜態(tài)初始化函數(shù)和靜態(tài)域的初始化構(gòu)造方法的執(zhí)行。一個類在初始化之前它的父類必須被初始化。整個過程如下：

JAVA虛擬機的運行過程

相關(guān)條目[ ]

參考來源[ ]