深入理解JVM底层原理——概述

虚拟机概述

•  所谓虚拟机（Virtual Machine），就是一台虚拟的计算机。他是一款软件，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**程序虚拟就**
•  Visual Box、VMware属于系统虚拟就，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。

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、优秀的垃圾回收器，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。

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，Java虚拟机规范中都详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。

特点

1.   一次编译，到处运行
2.  自动内存分配
3.  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整体结构

 

•  HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一
•  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

在内存当中，多线程共享方法区和堆，Java栈、本地方法栈、程序计数器属于线程私有

 

Java代码执行流程

详细执行流程

翻译字节码（解释执行）和JIT编译器（即时编译器）就是执行引擎

JVM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**寄存器的指令及架构**。
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
•          - 性能优秀和执行更高效
•          - 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、三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却以零地址指令为主

举例1：同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：
基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：

而基于寄存器的计算流程：





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？？？

JVM生命周期

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。
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

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