JVM学习笔记（一）——JVM结构与原理

    现在java开发岗的竞争真的是越来越激烈了，动辄都是往底层来，所以现在不得不开始JVM学习。我们首先要清楚JVM的基本结构和运行原理，才能进行更深入的学习，以下是我总结的一些JVM的基础和原理，更详细完整的学习还是需要多看书。

一、什么是JVM

    JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因.

 

二、原理

   JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台（操作系统）之间的虚拟处理器。JAVA程序不直接作用在OS平台，而是在JVM中加载、编译成字节码之后，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台的机器码来运行。

   JVM执行程序的过程：

   1、加载.class文件；

   2、编译成字节码；

   3、管理并分配内存

   4、执行垃圾收集器。

  

 

 

 

  

这是java1.8官方定义的JVM结构图：

 

   JVM是Java程序运行的容器,但是他同时也是操作系统的一个进程,因此他也有他自己的运行的生命周期,也有自己的代码和数据空间。

   我们从图中可以看到Java Virtual Machine是定义在JDK最底层的，负责与操作系统的交互,用来屏蔽操作系统环境,提供一个完整的Java运行环境，因此也叫虚拟计算机.操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境：

   1.创建JVM装载环境和配置；

   2.装载JVM.dll；

   3.初始化JVM.dll并挂接到JNIENV(JNI调用接口)实例；

   4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

JDK提供了两个虚拟机：

1、针对客户端应用程序的Java HotSpot Client VM(Client VM)，客户端虚拟机经过调整，可减少启动时间和内存占用，可以使用-client命令启动它。

  2、针对所有平台的，JDK附带了一个Java HotSpot Server VM(Server VM)虚拟机实现。Server VM是为了最快速的实现程序执行而设计的，可以使-server命令启动它。

——这两段来自JVM官方文档

三、JVM支持的数据类型

1、基本数据类型

   byte、short、int、long、float、double、boolean、char

2、其他数据类型

    object：java数组被当做object处理

    returnAddress：用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

四、JVM定义了控制Java代码解释执行和具体实现的五种规格：

    JVM虽然为开发人员省去了很多事情，但是JVM在JAVA字节码的格式中给了很明确的格式定义。这一规格包括操作码和操作数的语法和数值、标识符的数值表示方式，以及JAVA中的java对象、常量缓冲池在JVM中的存储映像。

1. JVM指令系统

   Java指令是由操作码和操作数两部分组成，操作码为8位的二进制数，操作数紧随在操作码后面，其长度根据需要而不同。操作码用于指定一条操作指令的性质，当前度大于8位时，操作数被分为两个以上的字节存放。Java指令系统是以java语言的实现为目的设计的，其中包含调用方法和监控多线程系统的指令。Java8位操作码的长度，使得JVM最多有256种指令。

2.JVM寄存器（32位）

    所有CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组，如果虚拟机定义较多的寄存器组，可以减少对栈和内存的访问，有利于提高速度，但是过多就会占用CPU资源。所以JVM 定义了四个寄存器：

1’pc程序计数器

2’optop操作数栈顶指针

3’frame当前操作数栈顶指针

4’vars指向当前运行环境中第一个局部变量的指针；

其中，pc用于记录程序的执行，optop、frame、vars用于记录指向java栈区的指针。

3.JVM栈结构

    Java栈是JVM存储信息的主要方法，当JVM得到一个java字节码应用程序后，便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架，以保存该方法的状态信息。每个栈框架包含以下三类信息：

1’局部变量：局部变量用于存储一个类的方法中所有的局部变量

2’执行环境：vars寄存器只想该变量表的第一个局部变量

3’操作栈：操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果

4.JVM碎片回收堆

    Java类所需要的内存空间是在堆上分配的，解释器承担为类实例分配空间，分配完成之后，解释器开始监控该对象对内存区域的使用，一旦对象使用完毕，解释器将对象回收到堆中。Java解释器的回收功能用后台线程的方式来执行，不用开发人员手动执行回收。

5.JVM存储区

   JVM有两类存储区：常量缓冲池和方法区。敞亮缓冲池用于存储类名、方法和字段以及常量。方法区则用于存储java方法的字节码。JVM为Java字节码定义一套完整的规格，在具体的平台运行则由java解释器实现，使得java程序可以跨平台运行。

 

参考文章：

JVM官方文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/index.html

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-2.html

https://baike.baidu.com/reference/2902369/e2a5ogtPbrCMYzMTsByrIp4H3qZWEpUMIJgIvTCNs3Rwolr3rOnZmBdEpyQLcFvv7Y9PvfWW8MWam9xPMpcVBAlFUB-_ZIGU5RdjXh4