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深入理解Java虚拟机一(JVM与Java体系结构)

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。

虚拟机与Java虚拟机

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,Mware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。
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。

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
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Java体系结构(来源于官网)
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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。(基于栈的指令集架构)
  • 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。
    在这里插入图片描述
    执行引擎包含三部分:解释器,及时编译器,垃圾回收器

Java代码执行流程

在这里插入图片描述

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

举例:

基于栈的计算流程(以Java虚拟机为例,javap -v HelloLoader.class 反编译):

iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出栈,执行相加
istore_0 // 结果5入栈

而基于寄存器的计算流程:

mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

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 或者叫启动类加载器)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。 (可以通过jps命令查看对应的进程)
  • 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

  • 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
  • 由于操作系统用现错误而导致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。

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