JVM

JVM（Java Virtual Machine）,即Java虛擬機(jī)，又名爪哇虛擬器，是一個(gè)虛構(gòu)出來的計(jì)算機(jī)，通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。Java虛擬機(jī)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(tái)相關(guān)的信息，使得Java程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺(tái)上不加修改地運(yùn)行。

簡(jiǎn)介[ ]

JVM

Java語言的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是與平臺(tái)的無關(guān)性。而使用Java虛擬機(jī)是實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的關(guān)鍵。一般的高級(jí)語言如果要在不同的平臺(tái)上運(yùn)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(jī)后，Java語言在不同平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)不需要重新編譯。

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

Java虛擬機(jī)是Java語言底層實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，對(duì)Java語言感興趣的人都應(yīng)對(duì)Java虛擬機(jī)有個(gè)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(duì)于要在特定平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)Java虛擬機(jī)的軟件人員，Java語言的編譯器作者以及要用硬件芯片實(shí)現(xiàn)Java虛擬機(jī)的人來說，則必須深刻理解Java虛擬機(jī)的規(guī)范。另外，如果你想擴(kuò)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(jī)。

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

Java虛擬機(jī)(JVM)是可運(yùn)行Java代碼的假想計(jì)算機(jī)。只要根據(jù)JVM規(guī)格描述將解釋器移植到特定的計(jì)算機(jī)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(yùn)行。

Java虛擬機(jī)是一個(gè)想象中的機(jī)器,在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上通過軟件模擬來實(shí)現(xiàn)。Java虛擬機(jī)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[ ]

Java虛擬機(jī)支持Java語言的基本數(shù)據(jù)類型如下：

byte：//1字節(jié)有符號(hào)整數(shù)的補(bǔ)碼
short：//2字節(jié)有符號(hào)整數(shù)的補(bǔ)碼
int：//4字節(jié)有符號(hào)整數(shù)的補(bǔ)碼
long：//8字節(jié)有符號(hào)整數(shù)的補(bǔ)碼
float：//4字節(jié)IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)
double：//8字節(jié)IEEE754雙精度浮點(diǎn)數(shù)
char：//2字節(jié)無符號(hào)Unicode字符

Java類型檢查都是在編譯時(shí)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(shí)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(gè)數(shù)相加，其操作數(shù)類型別是int、long、float和double。

虛擬機(jī)沒有給boolean(布爾)類型設(shè)置單獨(dú)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(jī)使用IEEE754格式的浮點(diǎn)數(shù)。不支持IEEE格式的較舊的計(jì)算機(jī)，在運(yùn)行Java數(shù)值計(jì)算程序時(shí)，可能會(huì)非常慢。

虛擬機(jī)支持的其它數(shù)據(jù)類型包括：

object//對(duì)一個(gè)Javaobject(對(duì)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(jī)的規(guī)范對(duì)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(shí)現(xiàn)中，對(duì)object的引用是一個(gè)句柄，其中包含一對(duì)指針：一個(gè)指針指向該object的方法表，另一個(gè)指向該object的數(shù)據(jù)。用Java虛擬機(jī)的字節(jié)碼表示的程序應(yīng)該遵守類型規(guī)定。Java虛擬機(jī)的實(shí)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(jī)由于字節(jié)碼定義的限制似乎只能運(yùn)行于32位地址空間的機(jī)器上。

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

規(guī)格描述[ ]

JVM的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一個(gè)基于抽象規(guī)格描述的計(jì)算機(jī)模型，為解釋程序開發(fā)人員提范的任何系統(tǒng)上運(yùn)行。JVM對(duì)其實(shí)現(xiàn)的某些方面給出了具體的定義，特別是對(duì)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(shí)符的數(shù)值表示方式、以及Java類文件中的Java對(duì)象、常量緩沖池在JVM的存儲(chǔ)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(jì)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(shí)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(chǔ)區(qū)

指令系統(tǒng)[ ]

JVM指令系統(tǒng)同其他計(jì)算機(jī)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(jìn)制數(shù)，操作數(shù)進(jìn)緊隨在操作碼的后面，其長(zhǎng)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(hào)的形式進(jìn)行說明），如iload表示從存儲(chǔ)器中裝入一個(gè)整數(shù)，anewarray表示為一個(gè)新數(shù)組分配空間，iand表示兩個(gè)整數(shù)的“與”，ret用于流程控制，表示從對(duì)某一方法的調(diào)用中返回。

當(dāng)長(zhǎng)度大于8位時(shí)，操作數(shù)被分為兩個(gè)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(shí)現(xiàn)為目的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jī)定義較多的寄存器，便可以從中得到更多的信息而不必對(duì)棧或內(nèi)存進(jìn)行訪問，這有利于提高運(yùn)行速度。然而，如果虛擬機(jī)中的寄存器比實(shí)際CPU的寄存器多，在實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)時(shí)就會(huì)占用處理器大量的時(shí)間來用常規(guī)存儲(chǔ)器模擬寄存器，這反而會(huì)降低虛擬機(jī)的效率。針對(duì)這種情況，JVM只設(shè)置了4個(gè)最為常用的寄存器。它們是：

pc程序計(jì)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(gè)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(jì)算機(jī)，Java棧是JVM存儲(chǔ)信息的主要方法。當(dāng)JVM得到一個(gè)Java字節(jié)碼應(yīng)用程序后，便為該代碼中一個(gè)類的每一個(gè)方法創(chuàng)建一個(gè)棧框架，以保存該方法的狀態(tài)信息。每個(gè)?？蚣馨ㄒ韵氯愋畔ⅲ?

局部變量
執(zhí)行環(huán)境
操作數(shù)棧

局部變量用于存儲(chǔ)一個(gè)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(gè)局部變量。

執(zhí)行環(huán)境用于保存解釋器對(duì)Java字節(jié)碼進(jìn)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(gè)執(zhí)行一個(gè)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(gè)整數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，最后將結(jié)果壓入棧頂。

操作數(shù)棧用于存儲(chǔ)運(yùn)算所需操作數(shù)及運(yùn)算的結(jié)果

碎片回收堆[ ]

Java類的實(shí)例所需的存儲(chǔ)空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔(dān)為類實(shí)例分配空間的工作。解釋器在為一個(gè)實(shí)例分配完存儲(chǔ)空間后，便開始記錄對(duì)該實(shí)例所占用的內(nèi)存區(qū)域的使用。一旦對(duì)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(duì)象申請(qǐng)和釋放內(nèi)存。對(duì)內(nèi)存進(jìn)行釋放和回收的工作是由Java運(yùn)行系統(tǒng)承擔(dān)的。這允許Java運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái)線程的方式來執(zhí)行。這不但為運(yùn)行系統(tǒng)提供了良好的性能，而且使程序設(shè)計(jì)人員擺脫了自己控制內(nèi)存使用的風(fēng)險(xiǎn)。

存儲(chǔ)區(qū)[ ]

JVM有兩類存儲(chǔ)區(qū)：常量緩沖池和方法區(qū)。常量緩沖池用于存儲(chǔ)類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區(qū)則用于存儲(chǔ)Java方法的字節(jié)碼。對(duì)于這兩種存儲(chǔ)區(qū)域具體實(shí)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(chǔ)布局必須在運(yùn)行過程中確定，依賴于具體平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方式。

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

對(duì)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(jī)器碼（二進(jìn)制程序文件），JVM虛擬機(jī)相當(dāng)于80x86計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，Java解釋器相當(dāng)于80x86CPU。在80x86CPU上運(yùn)行的是機(jī)器碼，在Java解釋器上運(yùn)行的是Java字節(jié)碼。

Java解釋器相當(dāng)于運(yùn)行Java字節(jié)碼的“CPU”，但該“CPU”不是通過硬件實(shí)現(xiàn)的，而是用軟件實(shí)現(xiàn)的。Java解釋器實(shí)際上就是特定的平臺(tái)下的一個(gè)應(yīng)用程序。只要實(shí)現(xiàn)了特定平臺(tái)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(tái)下運(yùn)行，這是Java跨平臺(tái)的根本。當(dāng)前，并不是在所有的平臺(tái)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(tái)下都能運(yùn)行的原因，它只能在已實(shí)現(xiàn)了Java解釋器程序的平臺(tái)下運(yùn)行。

JVM的運(yùn)行過程[ ]

虛擬機(jī)通過調(diào)用某個(gè)指定類的方法main啟動(dòng)，傳遞給main一個(gè)字符串?dāng)?shù)組參數(shù)，使指定的類被裝載，同時(shí)鏈接該類所使用的其它的類型，并且初始化它們。例如對(duì)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(dòng)java虛擬機(jī)，傳遞給main一個(gè)包含三個(gè)字符串"run"、"virtual"、"machine"的數(shù)組。現(xiàn)在我們略述虛擬機(jī)在執(zhí)行HelloApp時(shí)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(jī)當(dāng)前不包含該類的二進(jìn)制代表，于是虛擬機(jī)使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進(jìn)制代表。如果這個(gè)進(jìn)程失敗，則拋出一個(gè)異常。類被裝載后同時(shí)在main方法被調(diào)用之前，必須對(duì)類HelloApp與其它類型進(jìn)行鏈接然后初始化。鏈接包含三個(gè)階段：檢驗(yàn)，準(zhǔn)備和解析。

檢驗(yàn)檢查被裝載的主類的符號(hào)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(duì)其它類或接口的符號(hào)引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對(duì)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(gè)類在初始化之前它的父類必須被初始化。整個(gè)過程如下：

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