【JVM】JVM与Java体系结构

一，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。

二，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，他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。

2，Java虚拟机

2.1，介绍

• 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语句编译而成。
• JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性，优秀的垃圾回收器，以及可靠的及时编译器。
• 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。

2.2，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/编译为对应平台的机器指令执行。每一条Java指令，Java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。

2.3，特点

• 一次编译，到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收功能

2.4，位置

三，JVM整体结构

四，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（没有地址只有操作数）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的虚拟机；
• 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差；
• 性能优秀，执行更高效；
• 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指令为主。

我们用代码来举例，如下代码：

package com.drhj;

/**
 * Author: DRHJ
 * Date: 2022/10/16 19:07
 */
public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
    }
}

我们进行运行
会得到Class文件

我们进行反编译

得到main方法的字节码

iconst_2 ： 定义常量2
istore_1 ：保存到局部变量表索引为1的位置
iload_1 : 加载索引为1位置的操作
iadd ：进行相加操作

总结：
由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限与嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？

五，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。

package com.drhj;

/**
 * Author: DRHJ
 * Date: 2022/10/16 19:07
 */
public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
        try {
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("hello");
    }
}

我们上述代码，在打印出hello前，在终端输入jps,如下

睡眠6s的目的就是为了能够及时看到进程，此时程序在执行“StackStruTest”的进程；
当打印出hello后，程序结束，进程结束

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类或者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