JVM(JAVA虛擬機介紹)

2019-11-18 14:06:40

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　　JVM(java虛擬機介紹)
來源：IT網絡學院 2003年3月19日10:21

Java虛擬機(JVM)是可運行Java代碼的假想計算機。只要根據JVM規格描述將解釋器移植到特定的計算機上，就能保證經過編譯的任何Java代碼能夠在該系統上運行。本文首先簡要介紹從Java文件的編譯到最終執行的過程，隨后對JVM規格描述作一說明。

　　一.Java源文件的編譯、下載、解釋和執行

　　Java應用程序的開發周期包括編譯、下載、解釋和執行幾個部分。Java編譯程序將Java源程序翻譯為JVM可執行代碼?字節碼。這一編譯過程同C/C++的編譯有些不同。當C編譯器編譯生成一個對象的代碼時，該代碼是為在某一特定硬件平臺運行而產生的。因此，在編譯過程中，編譯程序通過查表將所有對符號的引用轉換為特定的內存偏移量，以保證程序運行。Java編譯器卻不將對變量和方法的引用編譯為數值引用，也不確定程序執行過程中的內存布局，而是將這些符號引用信息保留在字節碼中，由解釋器在運行過程中創立內存布局，然后再通過查表來確定一個方法所在的地址。這樣就有效的保證了Java的可移植性和安全性。

　　運行JVM字節碼的工作是由解釋器來完成的。解釋執行過程分三部進行：代碼的裝入、代碼的校驗和代碼的執行。裝入代碼的工作由"類裝載器"（class loader）完成。類裝載器負責裝入運行一個程序需要的所有代碼，這也包括程序代碼中的類所繼續的類和被其調用的類。當類裝載器裝入一個類時，該類被放在自己的名字空間中。除了通過符號引用自己名字空間以外的類，類之間沒有其他辦法可以影響其他類。在本臺計算機上的所有類都在同一地址空間內，而所有從外部引進的類，都有一個自己獨立的名字空間。這使得本地類通過共享相同的名字空間獲得較高的運行效率，同時又保證它們與從外部引進的類不會相互影響。當裝入了運行程序需要的所有類后，解釋器便可確定整個可執行程序的內存布局。解釋器為符號引用同特定的地址空間建立對應關系及查詢表。通過在這一階段確定代碼的內存布局，Java很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問題，同時也防止了代碼對地址的非法訪問。

　　隨后，被裝入的代碼由字節碼校驗器進行檢查。校驗器可發現操作數棧溢出，非法數據類型轉化等多種錯誤。通過校驗后，代碼便開始執行了。

　　Java字節碼的執行有兩種方式：
　　1.即時編譯方式：解釋器先將字節碼編譯成機器碼，然后再執行該機器碼。
　　2.解釋執行方式：解釋器通過每次解釋并執行一小段代碼來完成Java字節碼程序的所有操作。
　　通常采用的是第二種方法。由于JVM規格描述具有足夠的靈活性，這使得將字節碼翻譯為機器代碼的工作

　　具有較高的效率。對于那些對運行速度要求較高的應用程序，解釋器可將Java字節碼即時編譯為機器碼，從而很好地保證了Java代碼的可移植性和高性能。

　　二.JVM規格描述

　　JVM的設計目標是提供一個基于抽象規格描述的計算機模型，為解釋程序開發人員提很好的靈活性，同時也確保Java代碼可在符合該規范的任何系統上運行。JVM對其實現的某些方面給出了具體的定義，非凡是對Java可執行代碼，即字節碼(Bytecode)的格式給出了明確的規格。這一規格包括操作碼和操作數的語法和數值、標識符的數值表示方式、以及Java類文件中的Java對象、常量緩沖池在JVM的存儲映象。這些定義為JVM解釋器開發人員提供了所需的信息和開發環境。Java的設計者希望給開發人員以隨心所欲使用Java的自由。
　　
　　JVM定義了控制Java代碼解釋執行和具體實現的五種規格，它們是：
　　JVM指令系統
　　JVM寄存器
　　JVM棧結構
　　JVM碎片回收堆
　　JVM存儲區

　　2.1JVM指令系統　

　　JVM指令系統同其他計算機的指令系統極其相似。Java指令也是由操作碼和操作數兩部分組成。操作碼為8位二進制數，操作數進緊隨在操作碼的后面，其長度根據需要而不同。操作碼用于指定一條指令操作的性質（在這里我們采用匯編符號的形式進行說明），如iload表示從存儲器中裝入一個整數，anewarray表示為一個新數組分配空間，iand表示兩個整數的"與"，ret用于流程控制，表示從對某一方法的調用中返回。當長度大于8位時，操作數被分為兩個以上字節存放。JVM采用了"big endian"的編碼方式來處理這種情況，即高位bits存放在低字節中。這同 Motorola及其他的RISC CPU采用的編碼方式是一致的，而與Intel采用的"little endian "的編碼方式即低位bits存放在低位字節的方法不同。
　　
　　Java指令系統是以Java語言的實現為目的設計的，其中包含了用于調用方法和監視多先程系統的指令。Java的8位操作碼的長度使得JVM最多有256種指令，目前已使用了160多種操作碼。
　　
　　2.2JVM指令系統

所有的CPU均包含用于保存系統狀態和處理器所需信息的寄存器組。假如虛擬機定義較多的寄存器，便可以從中得到更多的信息而不必對棧或內存進行訪問，這有利于提高運行速度。然而，假如虛擬機中的寄存器比實際CPU的寄存器多，在實現虛擬機時就會占用處理器大量的時間來用常規存儲器模擬寄存器，這反而會降低虛擬機的效率。針對這種情況，JVM只設置了4個最為常用的寄存器。它們是：
　　pc程序計數器
　　optop操作數棧頂指針
　　frame當前執行環境指針
　　vars指向當前執行環境中第一個局部變量的指針
所有寄存器均為32位。pc用于記錄程序的執行。optop,frame和vars用于記錄指向Java棧區的指針。
　　
　　2.3JVM棧結構

　　作為基于棧結構的計算機，Java棧是JVM存儲信息的主要方法。當JVM得到一個Java字節碼應用程序后，便為該代碼中一個類的每一個方法創建一個棧框架，以保存該方法的狀態信息。每個棧框架包括以下三類信息：
　　局部變量
　　執行環境
　　操作數棧　　
　　
　　局部變量用于存儲一個類的方法中所用到的局部變量。vars寄存器指向該變量表中的第一個局部變量。
　　執行環境用于保存解釋器對Java字節碼進行解釋過程中所需的信息。它們是：上次調用的方法、局部變量指針和操作數棧的棧頂和棧底指針。執行環境是一個執行一個方法的控制中心。例如：假如解釋器要執行iadd(整數加法)，首先要從frame寄存器中找到當前執行環境，而后便從執行環境中找到操作數棧，從棧頂彈出兩個整數進行加法運算，最后將結果壓入棧頂。
操作數棧用于存儲運算所需操作數及運算的結果。
　　
　　2.4JVM碎片回收堆

　　Java類的實例所需的存儲空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔為類實例分配空間的工作。解釋器在為一個實例分配完存儲空間后，便開始記錄對該實例所占用的內存區域的使用。一旦對象使用完畢，便將其回收到堆中。
在Java語言中，除了new語句外沒有其他方法為一對象申請和釋放內存。對內存進行釋放和回收的工作是由Java運行系統承擔的。這答應Java運行系統的設計者自己決定碎片回收的方法。在SUN公司開發的Java解釋器和Hot Java環境中，碎片回收用后臺線程的方式來執行。這不但為運行系統提供了良好的性能，而且使程序設計人員擺脫了自己控制內存使用的風險。
　　
　　2.5JVM存儲區

JVM有兩類存儲區：常量緩沖池和方法區。常量緩沖池用于存儲類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區則用于存儲Java方法的字節碼。對于這兩種存儲區域具體實現方式在JVM規格中沒有明確規定。這使得Java應用程序的存儲布局必須在運行過程中確定，依靠于具體平臺的實現方式。
　　
　　JVM是為Java字節碼定義的一種獨立于具體平臺的規格描述，是Java平臺獨立性的基礎。目前的JVM還存在一些限制和不足，有待于進一步的完善，但無論如何，JVM的思想是成功的。

　　對比分析：假如把Java原程序想象成我們的C++原程序，Java原程序編譯后生成的字節碼就相當于C++原程序編譯后的80x86的機器碼（二進制程序文件），JVM虛擬機相當于80x86計算機系統,Java解釋器相當于80x86CPU。在80x86CPU上運行的是機器碼，在Java解釋器上運行的是Java字節碼。
　
　　Java解釋器相當于運行Java字節碼的“CPU”,但該“CPU”不是通過硬件實現的，而是用軟件實現的。Java解釋器實際上就是特定的平臺下的一個應用程序。只要實現了特定平臺下的解釋器程序，Java字節碼就能通過解釋器程序在該平臺下運行，這是Java跨平臺的根本。當前，并不是在所有的平臺下都有相應Java解釋器程序，這也是Java并不能在所有的平臺下都能運行的原因，它只能在已實現了Java解釋器程序的平臺下運行。

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