JVM原理

Java语言写的源程序通过Java编译器，编译成与平台无关的‘字节码程序’(.class文件，也就是0，1二进制程序)，然后在OS之上的Java解释器中解释执行，而JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器

JAVA和JVM运行的原理

1.Java语言运行的过程

Java语言写的源程序通过Java编译器，编译成与平台无关的‘字节码程序’(.class文件，也就是0，1二进制程序)，然后在OS之上的Java解释器中解释执行。

也相当与

注：JVM（java虚拟机）包括解释器，不同的JDK虚拟机是相同的，解释器不同。

2.JVM：

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种利用软件方法实现的抽象的计算机基于下层的操作系统和硬件平台，可以在上面执行java的字节码程序。

java编译器只要面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。

JVM执行程序的过程 ：

I.加载。class文件

II.管理并分配内存

III.执行垃圾收集

JRE（java运行时环境）由JVM构造的java程序的运行环境 

 

JVM工作原理和特点主要是指操作系统装入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并挂界到JNIENV(JNI调用接口)实例

4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

 

在我们运行和调试Java程序的时候,经常会提到一个JVM的概念.JVM是Java程序运行的环境,但是他同时一个操作系统的一个应用程序一个进程,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.

首先来说一下JVM工作原理中的jdk这个东西,不管你是初学者还是高手,是j2ee程序员还是j2se程序员,jdk总是在帮我们做一些事情.我们在了解Java之前首先大师们会给我们提供说jdk这个东西.它在Java整个体系中充当着什么角色呢?我很惊叹sun大师们设计天才,能把一个如此完整的体系结构化的如此完美.jdk在这个体系中充当一个生产加工中心,产生所有的数据输出,是所有指令和战略的执行中心.本身它提供了Java的完整方案,可以开发目前Java能支持的所有应用和系统程序.这里说一个问题,大家会问,那为什么还有j2me,j2ee这些东西,这两个东西目的很简单,分别用来简化各自领域内的开发和构建过程.jdk除了JVM之外,还有一些核心的API,集成API,用户工具,开发技术,开发工具和API等组成

好了,废话说了那么多,来点于主题相关的东西吧.JVM在整个jdk中处于最底层,负责于操作系统的交互,用来屏蔽操作系统环境,提供一个完整的Java运行环境,因此也就虚拟计算机. 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并挂界到JNIENV(JNI调用接口)实例

4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

一．JVM装入环境，JVM提供的方式是操作系统的动态连接文件．既然是文件那就一个装入路径的问题，Java是怎么找这个路径的呢？当你在调用Java test的时候，操作系统会在path下在你的Java.exe程序，Java.exe就通过下面一个过程来确定JVM的路径和相关的参数配置了．下面基于Windows的实现的分析．

首先查找jre路径，Java是通过GetApplicationHome api来获得当前的Java.exe绝对路径，c:\j2sdk1.4.2_09\bin\Java.exe,那么它会截取到绝对路径c:\j2sdk1.4.2_09\，判断c:\j2sdk1.4.2_09\bin\Java.dll文件是否存在，如果存在就把c:\j2sdk1.4.2_09\作为jre路径，如果不存在则判断c:\j2sdk1.4.2_09\jre\bin\Java.dll是否存在，如果存在这c:\j2sdk1.4.2_09\jre作为jre路径．如果不存在调用GetPublicJREHome查HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\JavaSoft\Java Runtime Environment\“当前JRE版本号”\JavaHome的路径为jre路径。

然后装载JVM.cfg文件JRE路径+\lib+\ARCH（CPU构架）+\JVM.cfgARCH（CPU构架）的判断是通过Java_md.c中GetArch函数判断的，该函数中windows平台只有两种情况：WIN64的‘ia64’，其他情况都为‘i386’。以我的为例：C:\j2sdk1.4.2_09\jre\lib\i386\JVM.cfg.主要的内容如下：

-client KNOWN
-server KNOWN
-hotspot ALIASED_TO -client
-classic WARN
-native ERROR
-green ERROR

在我们的jdk目录中jre\bin\server和jre\bin\client都有JVM.dll文件存在，而Java正是通过JVM.cfg配置文件来管理这些不同版本的JVM.dll的．通过文件我们可以定义目前jdk中支持那些JVM,前面部分（client）是JVM名称，后面是参数，KNOWN表示JVM存在，ALIASED_TO表示给别的JVM取一个别名，WARN表示不存在时找一个JVM替代，ERROR表示不存在抛出异常．在运行Java XXX是，Java.exe会通过CheckJVMType来检查当前的JVM类型，Java可以通过两种参数的方式来指定具体的JVM类型，一种按照JVM.cfg文件中的JVM名称指定，第二种方法是直接指定，它们执行的方法分别是“Java -J”、“Java -XXaltJVM=”或“Java -J-XXaltJVM=”。如果是第一种参数传递方式，CheckJVMType函数会取参数‘-J’后面的JVM名称，然后从已知的JVM配置参数中查找如果找到同名的则去掉该JVM名称前的‘-’直接返回该值；而第二种方法，会直接返回“-XXaltJVM=”或“-J-XXaltJVM=”后面的JVM类型名称；如果在运行Java时未指定上面两种方法中的任一一种参数，CheckJVMType会取配置文件中第一个配置中的JVM名称，去掉名称前面的‘-’返回该值。CheckJVMType函数的这个返回值会在下面的函数中汇同jre路径组合成JVM.dll的绝对路径。如果没有指定这会使用JVM.cfg中第一个定义的JVM.可以通过set _Java_LAUNCHER_DEBUG=1在控制台上测试．

最后获得JVM.dll的路径，JRE路径+\bin+\JVM类型字符串+\JVM.dll就是JVM的文件路径了，但是如果在调用Java程序时用-XXaltJVM=参数指定的路径path,就直接用path+\JVM.dll文件做为JVM.dll的文件路径．

二：装载JVM.dll

通过第一步已经找到了JVM的路径，Java通过LoadJavaVM来装入JVM.dll文件．装入工作很简单就是调用Windows API函数：

LoadLibrary装载JVM.dll动态连接库．然后把JVM.dll中的导出函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs挂接到InvocationFunctions变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数指针变量上。JVM.dll的装载工作宣告完成。

三：初始化JVM，获得本地调用接口，这样就可以在Java中调用JVM的函数了．调用InvocationFunctions－>CreateJavaVM也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法获得JNIEnv结构的实例．

四：运行Java程序．

Java程序有两种方式一种是jar包，一种是class. 运行jar,Java -jar XXX.jar运行的时候，Java.exe调用GetMainClassName函数，该函数先获得JNIEnv实例然后调用Java类Java.util.jar.JarFileJNIEnv中方法getManifest()并从返回的Manifest对象中取getAttributes("Main-Class")的值即jar包中文件：META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。之后main函数会调用Java.c中LoadClass方法装载该主类（使用JNIEnv实例的FindClass）。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。如果是执行class方法。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。

然后main函数调用JNIEnv实例的GetStaticMethodID方法查找装载的class主类中

“public static void main(String[] args)”方法，并判断该方法是否为public方法，然后调用JNIEnv实例的

CallStaticVoidMethod方法调用该Java类的main方法。 

 

Java语言引入了Java虚拟机，具有跨平台运行的功能，能够很好地适应各种Web应用。同时，为了提高Java语言的性能和健壮性，还引入了如垃圾回收机制等新功能，通过这些改进让Java具有其独特的工作原理。

    1．Java虚拟机

    Java虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）是软件模拟的计算机，它可以在任何处理器上（无论是在计算机中还是在其他电子设备中）安全兼容地执行保存在.class文件中的字节码。Java虚拟机的“机器码”保存在.class文件中，有时也可以称之为字节码文件。

    Java程序的跨平台特性主要是指字节码文件可以在任何具有Java虚拟机的计算机或者电子设备上运行，Java虚拟机中的Java解释器负责将字节码文件解释成为特定的机器码进行运行。因此在运行时，Java源程序需要通过编译器编译成为.class文件。

    Java虚拟机的建立需要针对不同的软硬件平台来实现，既要考虑处理器的型号，也要考虑操作系统的种类。由此在SPARC结构、X86结构、MIPS和PPC等嵌入式处理芯片上，在UNIX、Linux、Windows和部分实时操作系统上都可实现Java虚拟机。

    2．无用内存自动回收机制

    在程序的执行过程中，部分内存在使用过后就处于废弃状态，如果不及时进行回收，很有可能会导致内存泄漏，进而引发系统崩溃。在C++语言中是由程序员进行内存回收的，程序员需要在编写程序时把不再使用的对象内存释放掉，这种人为管理内存释放的方法往往由于程序员的疏忽而致使内存无法回收，同时也增加了程序员的工作量。而在Java运行环境中，始终存在着一个系统级的线程，专门跟踪内存的使用情况，定期检测出不再使用的内存，并自动进行回收，避免了内存的泄露，也减轻了程序员的工作量。

    3．代码安全性检查机制

    安全和方便总是相对矛盾的。Java编程语言的出现使得客户端计算机可以方便地从网络上上传或下载Java程序到本地计算机上运行，但是如何保证该Java程序不携带病毒或者没有其他危险目的呢？为了确保Java程序执行的安全性，Java语言通过Applet程序来控制非法程序的安全性，也就是有了它才确保Java语言的生存。

    Java字节码的执行需要经过以下3个步骤：

    （1）由类装载器（class loader）负责把类文件（.class文件）加载到Java虚拟机中。在此过程需要检验该类文件是否符合类文件规范。

    （2）字节码校验器（bytecode verifier）检查该类文件的代码中是否存在着某些非法操作，例如Applet程序中写本地计算机文件系统的操作。

    （3）如果字节码校验器检验通过，由Java解释器负责把该类文件解释成为机器码进行执行。

    注意：

    Java虚拟机采用“沙箱”运行模式，即把Java程序的代码和数据都限制在一定内存空间里执行，不允许程序访问该内存空间以外的内存。如果是Applet程序，还不允许访问客户端机器的文件系统。

 

Java的运行环境

    无论哪种语言都需要有它特定的运行环境，也就是平台。Java语言同样不例外。但是如何理解Java程序与硬件环境无关呢？

    几乎所有的语言都需要通过编译或者解释才可以被计算机执行，但是Java有一点不同，它同时需要这两个过程。其实，也正是因为这个原因才使Java这种语言具有了平台无关性。当完成一个Java源程序后，首先，通过Java翻译程序将它编译成一种叫做字节码的中间代码，然后再由Java平台的解释器将它转换成为机器语言来执行，这一平台的核心就是JVM。

    Java的编译过程与其他的语言不同。像C++这样的语言，在编译时它是与计算机的硬件平台信息密不可分的。编译程序通过查表将所有指令的操作数和操作码等转换成内存的偏移量，即程序运行时的内存分配方式，目的是保证程序正常运行。而Java却是将指令转换成为一种.class的文件，这种文件不包含硬件的信息，需要执行时只要经过安装有JVM的机器进行解释，创建内存分配后再通过查表来确定一条指令所在的地址。这样就有效地保证了Java的可移植性和安全性。

    Java平台具有这样的特性和它的结构有关。通常一个程序运行的平台是一个硬件或者软件运行的环境，目前比较流行的是Windows XP、Linux、Solaris和MacOS。Java的平台不太一样，它由两个部分组成，即JVM和应用程序设计接口。

    1．JVM

    JVM是Java平台的核心，为了让编译产生的字节码能更好地解释与执行，因此把JVM分成了6个部分：JVM解释器、指令系统、寄存器、栈、存储区和碎片回收区。

    ◆JVM解释器：即这个虚拟机处理字段码的CPU。

    ◆JVM指令系统：该系统与计算机很相似，一条指令由操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数，主要是为了说明一条指令的功能，操作数可以根据需要而定，JVM有多达256种不同的操作指令。

    ◆寄存器：JVM有自己的虚拟寄存器，这样就可以快速地与JVM的解释器进行数据交换。为了功能的需要，JVM设置了4个常用的32位寄存器：pc（程序计数器）、optop（操作数栈顶指针）、frame（当前执行环境指针）和vars（指向当前执行环境中第一个局部变量的指针）。

    ◆JVM栈：指令执行时数据和信息存储的场所和控制中心，它提供给JVM解释器运算所需要的信息。

    ◆存储区：JVM存储区用于存储编译过后的字节码等信息。

    ◆碎片回收区：JVM碎片回收是指将使用过的Java类的具体实例从内存进行回收，这就使得开发人员免去了自己编程控制内存的麻烦和危险。随着JVM的不断升级，其碎片回收的技术和算法也更加合理。JVM 1.4.1版后产生了一种叫分代收集技术，简单来说就是利用对象在程序中生存的时间划分成代，以此为标准进行碎片回收。

    2．Java应用程序设计接口

    Java Application Programming Interface简称Java API，其中文名为Java应用程序设计接口。它是一个软件集合，其中有许多开发时所需要的控件，可以用它来辅助开发。

    Java API和JVM构成了Java运行的基本环境，这两种软件整合在一起处于计算机之上，通过这两种软件，Java平台把一个Java应用程序从硬件系统分离开，从而很好地保证了程序的独立性。为了更好地适应开发的需要，Java的设计者们提供了3种版本的Java平台：Java 2 Micro Edition （J2ME ）、Java 2 Standard Edition（J2SE）和 Java 2 Enterprise Edition （J2EE），每一种版本都提供了丰富的开发工具以适应不同的开发需要。