重识JVM（1）- 冯诺依曼体系

目录

1. 引言       

2. 简介

3. 冯诺依曼体系

4. CPU组成和工作流程       

5. JVM组成和工作流程

6. 总结

7. 思考

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1. 引言       

       学习java这门语言，最先学到的除了一些基础的语法知识，还有关于jvm的一些东西，像堆栈、方法区、垃圾回收，站在巨人的肩膀上，我们只需要对jvm有个大概的了解就行了，可是仅靠书本和网络上一些雷同的jvm资料，很难对jvm有个全面的认识，为了不仅仅只是记住这些概念性的内容，本篇文章将从冯诺依曼体系的角度重识jvm。

 

2. 简介

        java语言能够取得巨大成功，很大一部分要归功于 “Write once, run everywhere”，而JVM正是提供这种能力的关键。JVM全称是JAVA Virtual Machine，中文翻译为JAVA虚拟机，它就像一台真实机器运行在多个平台上，如Windows，linux，Mac OS等，开发者不论在哪个平台上编写java代码并编译成class文件，都能够被这些平台上部署的JVM加载并执行。一般情况下，java开发人员不需要关注特定平台（操作系统），因为JVM屏蔽了不同平台的差异性，为java应用提供了统一的运行环境，jvm扮演了非常重要的中介者角色，所以必须要了解JVM，JVM的运行机制直接影响着java代码的执行效果和性能，如果完全不了解JVM组成和原理，也就无法编写稳定和高效的代码。

JVM屏蔽了平台（操作系统）的差异性

       

        JVM有多个实现版本，如SUN公司（2009年被Oracle收购）的Hotspot，BEA公司（2008年被Oracle收购）的Jrockit，IBM的J9，这些版本有很多差异（主要体现在垃圾回收，JIT，AOT等），但是它们都基本遵循JVM定义，所以同一份代码不需要做任何修改在这些JVM执行的效果都是一样的。按照JVM定义，JVM由执行引擎、内存空间（线程共享空间如堆、方法区，以及线程独享的栈空间）、PC（程序计数器）。我们知道构成一台现代计算机需要有CPU，内存，和IO设备，遵循冯诺依曼体系，如果我们试着也将jvm按照冯诺依曼体系划分，得出了下面这张参照表：

冯诺依曼体系	JVM	现代计算机
计算器	执行引擎	ALU + DR（CPU的一部分）
控制器	PC	PC + IR + 控制器组（CPU的一部分）
内存	堆、栈、方法区	内存（RAM）

       通过上表对比，JVM也符合冯诺依曼体系，但又和现代计算机稍有不同，JVM字节码指令是基于栈的，而现代计算机的cpu汇编指令是基于寄存器的，为了更好理解这些共同点和差异性，就无法绕开冯诺依曼体系。

 

3. 冯诺依曼体系

       在冯诺依曼之前，图灵机提出了计算机的理论模型，简单地说，图灵机描述了一个使用机器解决数学计算的过程：给定一个输入，机器经过多次机器头移动、擦除、写入等操作之后，最终给定一个确定的结果，这个计算过程引出了程序指令的概念，即一条指令由一连串机器动作组成。符合图灵机的计算机需要有输入、输出和程序指令，图灵机的提出，实现了计算机从0到1的突破，但是也有很大的局限性，比如程序指令无法存储，只能完成单一任务等。早期的图灵机如ENIAC最早是为了计算导弹弹道而设计的，后来可以编程计算其他问题，但是此处的编程不是我们熟悉的编写代码，而是通过改变插线改变计算过程，可以看下下图：

ENIAC机器

       

       上图ENIAC复杂的排线让人看着就头晕，ENIAC实现了图灵机，但单单实现了图灵机的计算机只能应付具体问题的计算，要想改变用途，也只能重新设计电路或者改变排线。正是在研发ENIAC过程中，参与者冯诺依曼看到了这个缺点，于是提出了著名草案：《First draft of a Report on the EDVAC》。

该草案提出了以下重要的概念：

1）计算器

2）控制器

3）内存

4）I/O

       之前的计算机的程序都是固定用途的，无法更改或者很难更改（重新设计电路或者插线），为了让计算机更加通用，冯诺依曼提出了“stored-program computer”， 中文翻译为存储程序计算机，存储程序计算机要同时满足两个条件，1.可编程；2.程序可以被存储。常见的普通计算器将加减乘除算法固化到电路板中，你只能拿它来算加减乘除，干不了其它事，所以普通计算器是不可编程的，不是通用计算机；上图的ENIAC可以通过排线编程改变用途，但是无法保存之前的排线，每次只能重新排线，ENIAC的程序不能被存储，所以ENIAC不是通用计算机。

       冯诺依曼认为程序应该被当成普通数据一样存储，进而提出了通用计算机理论体系：以计算器为中心，内存存储程序数据和普通数据，控制器控制指令的顺序读取、解析和普通数据的流向，计算器接到控制器发送的执行信号，获取指令和数据后执行指令，并将处理完成的数据写入到内存中，因为要和人交互，还需要I/O设备接收输入数据和打印结果，如下图：

冯诺依曼通用计算机的组成结构

 

4. CPU组成和工作流程       

       冯诺依曼体系构建了通用计算机的基本结构，在冯诺依曼体系指导下，现代计算机由CPU、内存、IO组成，但是毕竟冯诺依曼体系是理论层面的，为了工程实现，现代计算机做了很多改进：如CPU同时充当了计算器和控制器两个角色；为了实现组件模块化，CPU与内存和I/O并不直接打交道，它们通过总线连接，大大加强了扩展性，可以随意更换其他不同容量的内存条或不同品牌的CPU。如下图：

现代通用计算机结构图 & CPU内部结构图

 

       上图是现代通用计算机主要组成部分，有CPU、存储器（内存），输入/输出（I/O）构成，CPU是核心部件，CPU既是计算器也是控制器，计算器由ALU+DR（逻辑计算单元，作数学运算和逻辑运算，DR数据寄存器缓存内存中的指令数据和普通数据）组成，控制器由PC+IR+控制器组（PC计算指令移动和顺序获取指令，IR寄存器解析指令，控制器作时钟等同步操作）组成。cpu中大量使用了寄存器，主要作用是加快cpu工作速度，寄存器可以存储指令、数据、地址，如DR数据寄存器缓存了内存中的数据，IR指令寄存器存储了cpu指令，其他部分寄存器会被用来存储地址，因为cpu指令无法在运行之前就确定所有数据和指令的绝对地址，所以需要在程序运行时用寄存器保存地址并寻址，比如一段子程序A，A会被其他父程序调用，A执行完成之后返回父程序继续执行，cpu指令需要知道父程序当时调用A的地址作为A执行完成之后的返回地址，在程序调用之前很难确定所有父程序的返回地址，所以在程序运行时，当父程序调用A时，将返回地址暂存到寄存器中，A执行完成后，取寄存器中的地址作为返回地址。

CPU执行流程，分为5部分：

取指令 --> 指令译码 --> 执行指令 --> 访问内存取数 --> 结果写回寄存器或内存，详情请点击：CPU的工作过程。

 

5. JVM组成和工作流程

        JVM屏蔽了平台（操作系统）的差异性，充当了计算机的角色，按照冯诺依曼体系划分，JVM由执行引擎（计算器），PC（控制器），堆栈、方法区（内存）组成，只有I/O是不需要的，虽然整体结构和现代通用计算机是一样的，但是cpu的指令是基于寄存器的，而jvm的字节码指令是基于栈的，使用栈不用记录函数返回和跳转地址，只需要入栈和出栈。JVM结构图如下：

JVM结构图

 

JVM执行字节码指令流程：

       JVM启动后，将编译后的class文件加载到方法区，获取合格的字节码指令，运行时，首先为新线程分配独享的栈和PC寄存器，然后执行引擎获取在方法区加载的字节码指令，顺序解释执行单条指令（或者使用JIT编译后平台的机器指令直接执行），PC寄存器记录下条指令位置，执行引擎执行完一条指令之后，读取PC寄存器的下条指令位置，顺序执行所有指令，执行指令过程中，以方法为单位生成栈帧入栈，栈帧主要存储方法的局部变量、指令的操作数栈等，当一个方法执行完成，该方法的栈帧出栈，对象的创建在堆中分配空间，栈中只保存对堆中对象的指针（引用），线程中的所有方法执行完成后，栈帧全部出栈，栈和PC寄存器也会被销毁。

 

6. 总结

       大部分java开发者掌握的计算机底层知识比较匮乏，抛开背景知识直接去看jvm，很难加深对jvm的理解。本文从冯诺依曼体系比较了jvm和通用计算机，它们结构基本相同，又有所区别，比如jvm一直被吐槽运行速度慢，有一部分原因是因为jvm指令是基与栈的，基于栈的指令完成复杂功能需要多次出栈和入栈，而基于寄存器的指令，直接操作多个寄存器执行运算，运行速度会比栈快，但寄存器在不用硬件平台可能会不同，而栈的移植性高于寄存器，jvm为了多个平台的兼容，妥协的使用了栈指令。了解了jvm设计的相关背景知识，会对jvm有更好的认识。

 

7. 思考

1). 冯诺依曼体系有什么瓶颈，下一代计算机体系会是什么样的？

2). 冯诺依曼体系和摩尔定律有什么关系？