JVM与Java体系结构篇

前言

世界上没有最好的编程语言，只有最适用于具体应用场景的编程语言。

Java及JVM简介

1、Java

Java:跨平台的语言

2、JVM

JVM:跨语言的平台

随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。
Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的，它只关心“字节码”文件。也就是说Java虚拟机拥有语言无关性，并不会单纯地与Java语言“终身绑定”，只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。

3、字节码

我们平时说的java字节码，指的是用java语言编译成的字节码。准确的说任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为:jvm字节码。
不同的编译器，可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的JVM上运行。
Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式—class文件格式所关联，class文件中包含了Java虚拟机指令集（或者称为字节码、Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。

虚拟机与Java虚拟机

1、虚拟机

所谓虚拟机(Virtual Machine)，就是一台虚拟的计算机它是一款软
件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
大名鼎鼎的Visual Box，VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真,提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令。无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提
供的资源中。

2、Java虚拟机

Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成。
JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回器，以及可靠的即时编译器。
Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java virtual Machine） ,因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。

Java虚拟机的作用

Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。每一条Java指令pJava虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。

Java虚拟机的特点

• 一次编译，到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收功能

JVM的位置

JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

JVM的整体结构

HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。在今天，Java程序员的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和c/c++程序一较高下的地步。Java栈现叫虚拟机栈。

执行引擎

执行引擎是Java虛拟机核心的组成部分之一。虚拟机是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式
JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM锁识别的字节码指令、符号表和其他辅助信息。
那么，如果想让一个Java程序运行起来、执行引擎的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。
从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的：输入的是字节二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器。每当执行完一项指令操作后，PC寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。当然方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在Java堆区中的对象实例信息，以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。

Java代码执行流程

Java源文件经过Java编译器生成一个或多个字节码（.class）文件，每一个字节码文件对应一个具体的类，源文件编译过程中，任何一个编译环节失败，都不能生成对应点字节码文件。然后字节码文件被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。
（操作系统只识别机器指令，将字节码文件翻译为机器指令由执行引擎完成）

JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。
具体来说:这两种架构之间的区别:

1、 基于栈式架构的特点

• 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统;
• 避开了寄存器的分配难题:使用零地址指令方式分配。
• 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小,编译器容易实现。
• 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

2、基于寄存器架构的特点

• 典型的应用是x86的二进制指令集:比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机。
• 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差。
• 花费更少的指令去完成一项操作。
• 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址 指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。

举例：

   public static void main(String[] args) {
     
        int i=2;
        int j=3;
        int  k = i+j;

    }

执行上面代码，其指令分别如下：基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：

 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 2
        line 7: 4
        line 9: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            2       7     1     i   I
            4       5     2     j   I
            8       1     3     k   I
}

基于寄存器的计算流程

mov eax,2//将eax寄存器的值设为1
add eax,3//使eax寄存器的值加3

JVM的生命周期

1、虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader)创建一个初始类(initial class)来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

2、虚拟机的执行

一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务:执行Java程序。程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。

3、虚拟机的退出

有如下的几种情况:

• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
• 某线程调用Runtime类或System类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作。
• 除此之外，JNI( Java Native Interface)规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。