1. JVM是如何工作的呢
Java虚拟机
一、什么是Java虚拟机
Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。
1.为什么要使用Java虚拟机
Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。
2.谁需要了解Java虚拟机
Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外,如果你想扩展Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地了解Java虚拟机。
3.Java虚拟机支持的数据类型
Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:
byte://1字节有符号整数的补码
short://2字节有符号整数的补码
int://4字节有符号整数的补码
long://8字节有符号整数的补码
float://4字节IEEE754单精度浮点数
double://8字节IEEE754双精度浮点数
char://2字节无符号Unicode字符
几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。*作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了*作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其*作数类型别是int、long、 float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令,包括integer 返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行 Java数值计算程序时,可能会非常慢。
虚拟机支持的其它数据类型包括:
object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用
returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令
注:Java数组被当作object处理。
虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可
移植性。
二、Java虚拟机体系结构
Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。
1.Java指令集
Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。
Java指令集中的指令包含一个单字节的*作符,用于指定要执行的*作,还有0个或多个*作数,提供*作所需的参数或数据。许多指令没有*作数,仅由一个单字节的*作符构成。 虚拟机的内层循环的执行过程如下:
do{
取一个*作符字节;
根据*作符的值执行一个动作;
}while(程序未结束)
由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中*作数的数量和大小是由*作符决定的。如果*作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为:
第一个字节*256+第二个字节字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tableswitch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。
2.寄存器
Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。
Java虚拟机的寄存器有四种:
pc:Java程序计数器。
optop:指向*作数栈顶端的指针。
frame:指向当前执行方法的执行环境的指针。
vars:指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。
Java虚拟机
Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。
所有寄存器都是32位的。
3.栈
Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、*作数区。
(1)局部变量区 每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到*作数栈的指令, 也提供了把*作数栈中的值写入局部变量的指令。
(2)运行环境区 在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。
·动态链接
运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。
·正常的方法返回
如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。
·异常和错误传播
异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用
·程序使用了throw语句。
当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:
·检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。
·与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行;如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的 catch子句都被检查过。
·由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。
·如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。
(3)*作数栈区 机器指令只从*作数栈中取*作数,对它们进行*作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。*作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持*作的参数,并保存*作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是*作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相加,并把结果压回到*作数栈中。
每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的*作。每个*作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。* 作数只能被适用于其类型的*作符所*作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数*作(*作符pe和swap),用于对运行时数据区进行*作时是不考虑类型的。
4.无用单元收集堆
Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集能力:它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。
5.方法区
方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中,方法代码不包括在无用单元收集堆中,但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java 语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范。
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2. JVM原理是什么
首先这里澄清两个概念：JVM实例和JVM执行引擎实例，JVM实例对应了一个独立运行的Java程序，而JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程；也就是JVM实例是进程级别，而执行引擎是线程级别的。JVM是什么？—JVM的生命周期JVM实例的诞生：当启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有publicstaticvoidmain(String[]args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点，既然如此，那么JVM如何知道是运行classA的main而不是运行classB的main呢？这就需要显式的告诉JVM类名，也就是我们平时运行Java程序命令的由来，如JavaclassAhelloworld,这里Java是告诉os运行SunJava2SDK的Java虚拟机，而classA则指出了运行JVM所需要的类名。JVM实例的运行：main（）作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main（）属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，Java程序也可以标明自己创建的线程是守护线程。JVM实例的消亡：当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。JVM是什么？—JVM的体系结构粗略分来，JVM的内部体系结构分为三部分，分别是：类装载器（ClassLoader）子系统，运行时数据区，和执行引擎。下面将先介绍类装载器，然后是执行引擎，最后是运行时数据区1、类装载器，顾名思义，就是用来装载.class文件的。JVM的两种类装载器包括：启动类装载器和用户自定义类装载器，启动类装载器是JVM实现的一部分，用户自定义类装载器则是Java程序的一部分，必须是ClassLoader类的子类。（下面所述情况是针对SunJDK1.2）动类装载器：只在系统类(JavaAPI的类文件)的安装路径查找要装入的类用户自定义类装载器：系统类装载器：在JVM启动时创建，用来在CLASSPATH目录下查找要装入的类其他用户自定义类装载器：这里有必要先说一下ClassLoader类的几个方法，了解它们对于了解自定义类装载器如何装载.class文件至关重要。(Stringname,bytedata[],intoffset,intlength) (Stringname,bytedata[],intoffset,intlength,);(Stringname) (Classc) defineClass用来将二进制class文件（新类型）导入到方法区,也就是这里指的类是用户自定义的类（也就是负责装载类）findSystemClass通过类型的全限定名，先通过系统类装载器或者启动类装载器来装载，并返回Class对象。ResolveClass:让类装载器进行连接动作（包括验证，分配内存初始化，将类型中的符号引用解析为直接引用），这里涉及到Java命名空间的问题，JVM保证被一个类装载器装载的类所引用的所有类都被这个类装载器装载，同一个类装载器装载的类之间可以相互访问，但是不同类装载器装载的类看不见对方，从而实现了有效的屏蔽。2、执行引擎：它或者在执行字节码，或者执行本地方法要说执行引擎，就不得不的指令集，每一条指令包含一个单字节的操作码，后面跟0个或者多个操作数。（一）指令集以栈为设计中心，而非以寄存器为中心这种指令集设计如何满足Java体系的要求：平台无关性：以栈为中心使得在只有很少register的机器上实现Java更便利compiler一般采用stack向连接优化器传递编译的中间结果，若指令集以stack为基础，则有利于运行时进行的优化工作与执行即时编译或者自适应优化的执行引擎结合，通俗的说就是使编译和运行用的数据结构统一，更有利于优化的开展。网络移动性：class文件的紧凑性。安全性：指令集中绝大部分操作码都指明了操作的类型。（在装载的时候使用数据流分析期进行一次性验证，而非在执行每条指令的时候进行验证，有利于提高执行速度）。（二）执行技术主要的执行技术有:解释，即时编译，自适应优化、芯片级直接执行其中解释属于第一代JVM，即时编译JIT属于第二代JVM，自适应优化（目前Sun的HotspotJVM采用这种技术）则吸取第一代JVM和第二代JVM的经验，采用两者结合的方式自适应优化：开始对所有的代码都采取解释执行的方式，并监视代码执行情况，然后对那些经常调用的方法启动一个后台线程，将其编译为本地代码，并进行仔细优化。若方法不再频繁使用，则取消编译过的代码，仍对其进行解释执行。3、运行时数据区：主要包括：方法区，堆，Java栈，PC寄存器，本地方法栈（1）方法区和堆由所有线程共享堆：存放所有程序在运行时创建的对象方法区：当JVM的类装载器加载.class文件，并进行解析，把解析的类型信息放入方法区。（2）Java栈和PC寄存器由线程独享，在新线程创建时间里（3）本地方法栈：存储本地方法调用的状态上边总体介绍了运行时数据区的主要内容，下边进行详细介绍，要介绍数据区，就不得不说明JVM中的数据类型。JVM中的数据类型：JVM中基本的数据单元是word,而word的长度由JVM具体的实现者来决定数据类型包括基本类型和引用类型，（1）基本类型包括：数值类型(包括除boolean外的所有的Java基本数据类型)，boolean（在JVM中使用int来表示，0表示false，其他int值均表示true）和returnAddress（JVM的内部类型，用来实现finally子句）。（2）引用类型包括：数组类型，类类型，接口类型前边讲述了JVM中数据的表示，下面让我们输入到JVM的数据区首先来看方法区：上边已经提到，方法区主要用来存储JVM从class文件中提取的类型信息，那么类型信息是如何存储的呢？众所周知，Java使用的是大端序（big?endian:即低字节的数据存储在高位内存上，如对于1234，12是高位数据，34为低位数据，则Java中的存储格式应该为12存在内存的低地址，34存在内存的高地址，x86中的存储格式与之相反）来存储数据，这实际上是在class文件中数据的存储格式，但是当数据倒入到方法区中时，JVM可以以任何方式来存储它。类型信息：包括class的全限定名，class的直接父类，类类型还是接口类型，类的修饰符（public,等），所有直接父接口的列表，Class对象提供了访问这些信息的窗口（可通过Class.forName(“”)或instance.getClass()获得），下面是Class的方法，相信大家看了会恍然大悟，（原来如此J）getName(),getSuperClass(),isInterface(),getInterfaces(),getClassLoader();static变量作为类型信息的一部分保存指向ClassLoader类的引用：在动态连接时装载该类中引用的其他类指向Class类的引用：必然的，上边已述该类型的常量池：包括直接常量（String，integer和floatpoint常量）以及对其他类型、字段和方法的符号引用（注意：这里的常量池并不是普通意义上的存储常量的地方，这些符号引用可能是我们在编程中所接触到的变量），由于这些符号引用，使得常量池成为Java程序动态连接中至关重要的部分字段信息：普通意义上的类型中声明的字段方法信息：类型中各个方法的信息编译期常量：指用final声明或者用编译时已知的值初始化的类变量class将所有的常量复制至其常量池或者其字节码流中。方法表：一个数组，包括所有它的实例可能调用的实例方法的直接引用（包括从父类中继承来的）除此之外，若某个类不是抽象和本地的，还要保存方法的字节码，操作数栈和该方法的栈帧，异常表。举例：classLava{ privateintspeed=5; voidflow(){} classVolcano{ publicstaticvoidmain(String[]args){ Lavalava=newLava(); lava.flow(); } } 运行命令JavaVolcano;（1）JVM找到Volcano.class倒入，并提取相应的类型信息到方法区。通过执行方法区中的字节码，JVM执行main（）方法，（执行时会一直保存指向Vocano类的常量池的指针）（2）Main（）中第一条指令告诉JVM需为列在常量池第一项的类分配内存（此处再次说明了常量池并非只存储常量信息），然后JVM找到常量池的第一项，发现是对Lava类的符号引用，则检查方法区，看Lava类是否装载，结果是还未装载，则查找“Lava.class”,将类型信息写入方法区，并将方法区Lava类信息的指针来替换Volcano原常量池中的符号引用，即用直接引用来替换符号引用。（3）JVM看到new关键字，准备为Lava分配内存，根据Volcano的常量池的第一项找到Lava在方法区的位置，并分析需要多少对空间，确定后，在堆上分配空间，并将speed变量初始为0，并将lava对象的引用压到栈中（4）调用lava的flow（）方法好了，大致了解了方法区的内容后，让我们来看看堆Java对象的堆实现：Java对象主要由实例变量（包括自己所属的类和其父类声明的）以及指向方法区中类数据的指针，指向方法表的指针，对象锁（非必需），等待集合（非必需），GC相关的数据（非必需）（主要视GC算法而定，如对于标记并清除算法，需要标记对象是否被引用，以及是否已调用finalize（）方法）。那么为什么Java对象中要有指向类数据的指针呢？我们从几个方面来考虑首先：当程序中将一个对象引用转为另一个类型时，如何检查转换是否允许？需用到类数据其次：动态绑定时，并不是需要引用类型，而是需要运行时类型，这里的迷惑是：为什么类数据中保存的是实际类型，而非引用类型？这个问题先留下来，我想在后续的读书笔记中应该能明白指向方法表的指针：这里和C++的VTBL是类似的，有利于提高方法调用的效率对象锁：用来实现多个线程对共享数据的互斥访问等待集合：用来让多个线程为完成共同目标而协调功过。（注意Object类中的wait(),notify(),notifyAll()方法）。Java数组的堆实现：数组也拥有一个和他们的类相关联的Class实例，具有相同dimension和type的数组是同一个类的实例。数组类名的表示：如[[LJava/lang/Object表示Object[][]，[I表示int[]，[[[B表示byte[][][]至此，堆已大致介绍完毕，下面来介绍程序计数器和Java栈程序计数器：为每个线程独有，在线程启动时创建，若thread执行Java方法，则PC保存下一条执行指令的地址。若thread执行native方法，则Pc的值为undefinedJava栈：Java栈以帧为单位保存线程的运行状态，Java栈只有两种操作，帧的压栈和出栈。每个帧代表一个方法，Java方法有两种返回方式，return和抛出异常，两种方式都会导致该方法对应的帧出栈和释放内存。帧的组成：局部变量区（包括方法参数和局部变量，对于instance方法，还要首先保存this类型，其中方法参数按照声明顺序严格放置，局部变量可以任意放置），操作数栈，帧数据区（用来帮助支持常量池的解析，正常方法返回和异常处理）。本地方法栈：依赖于本地方法的实现，如某个JVM实现的本地方法借口使用C连接模型，则本地方法栈就是C栈，可以说某线程在调用本地方法时，就进入了一个不受JVM限制的领域，也就是JVM可以利用本地方法来动态扩展本身。相信大家都明白JVM是什么了吧。原文链接： http://www.cnblogs.com/chenzhao/archive/2011/08/14/2137713.html