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字节码与多语言混合编程

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一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。

多语言混合编程
就是我们编写系统的时候，可以使用好多的语言，比如python了，java了什么的，但是最后这些语言都会被翻译成字节码，无论是什么语言，最终翻译成的字节码都是一样的，最后这些字节码再由java虚拟机运行。

虚拟机与Java虚拟机的介绍

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虛拟机。

1. 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。
2. 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。

java虚拟机作用
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。
  如下图：
  
  java虚拟机（JVM就是java虚拟机）是用来解释字节码文件的，因此它的入口肯定是一个类文件Class files，这个文件是个字节码文件，然后会被使用JVM虚拟机解释。

类装载器子系统把字节码文件装载到内存中，并生成Class对象，涉及到加载，链接，初始化。

多个线程共享方法区与堆，而至于Java栈，本地方法栈，程序计数器，都是每个线程私有的。

操作系统只能解释机器指令，但是我们的字节码并不等同于机器指令，还必须要把字节码翻译成机器指令，操作系统才能识别。而我们的执行引擎的作用主要就是把字节码翻译成机器指令。

Java代码执行流程

只要让字节码文件符合jvm规范，就可以在jvm上解释执行，即使它不是Java语言开发的，只要这个语言最后生成的字节码是正确的就可以，如下图：

区分栈的指令集架构和寄存器的指令集架构

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集架构。Hotspot虚拟机只有一种寄存器：pc寄存器，所以它是基于栈的指令集架构。具体来说:这两种架构之间的区别:

• 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
• 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。

栈式架构是零地址指令，每八位进行对齐，每八位为基本单位。指令集更小，但是指令更多；寄存器架构它是每16位为基本单位（双字节方式进行对齐，也就是每16位对齐）

基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）
下面有个2+3的java代码，如下：

public class StackStruTest {//这是java源文件，字节码文件我们程序员看不懂，需要进行反编译
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
    }
}

在idea中运行StackStruTest.java类生成字节码文件StackStruTest.class，生成的字节码文件会被保存到target目录里面，如下图：

然后打开test路径对应的终端，如下图：

最后需要对字节码文件StackStruTest.class进行反编译，反编译的命令是javap -v 字节码文件名字，如下图：

反编译结果如下图：

基于寄存器的计算流程
只需要两行代码，如下：

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

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。

JVM的生命周期

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。（由jvm规范定义的，具体实现由具体的jvm虚拟机实现）。

虚拟机的执行

1. 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。
2. 程序开始执行时他才开始执行，程序结束时他就停止。
3. 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。

JVM虚拟机类型

SUN Classic VM的介绍

• 早在1996年Java1. 0版本的时候，Sun公司发布了一款名为sun Classic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1. 4时完全被淘汰。
• 主流的虚拟机解释器和编译器并存，而这款虚拟机内部只提供解释器。
• 如果使用JIT编译器，就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和编译器不能配合工作。
• 现在hotspot内置了此虚拟机。

热点代码：当虚拟机发现某个方法或代码块的运行特别频繁的时候，就会把这些代码认定为“热点代码”，为了提高其执行效率，在运行时，虚拟机会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并放在方法区缓存起来。

HotSpot VM的介绍

SUN公司的HotSpot VM

• HotSpot历史
  最初由一家名为“Longview Technologies”的小公司设计。
  1997年， 此公司被Sun收购;2009年，Sun公司被甲骨文收购。
  JDK1.3时， HotSpot VM成为默认虚拟机

• 目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林。
  不管是现在仍在广泛使用的JDK6,还是使用比例较多的JDK8中， 默认的虚拟机都是HotSpot。
  Sun/Oracle JDK和OpenJDK的默认虚拟机。
  因此本课程中默认介绍的虚拟机都是HotSpot,相关机制也主要是指HotSpot的GC机制。(比如其他两个商用虚拟机都没有永久代的概念)

• 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。

• 名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。
  通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换。
  通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡。

在jdk7及以前，习惯上把方法区称为永久代，jdk8开始，使用元空间取代了永久代。不过元空间与永久代最大的区别在于：元空间不再虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。