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什么是Java虚拟机?

作者: 万博manbex手机登陆|来源: http://www.grpguru.com|栏目:万博manbex官网|    日期:2019-11-04

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  虚拟机是一种抽象化的计算机,通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

  Java虚拟机有自己完善的硬体架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使得Java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。

  这种解释应该算是正确的,但是只描述了虚拟机的外部行为和功能,并没有针对内部原理做出说明。一般情况下我们不需要知道虚拟机的运行原理,只要专注写java代码就可以了,这也正是虚拟机之所以存在的原因--屏蔽底层操作系统平台的不同并且减少基于原生语言开发的复杂性,使java这门语言能够跨各种平台(只要虚拟机厂商在特定平台上实现了虚拟机),并且简单易用。这些都是虚拟机的外部特性,但是从这些信息来解释虚拟机,未免太笼统了,无法让我们知道内部原理。

  让我们尝试从操作系统的层面来理解虚拟机。我们知道,虚拟机是运行在操作系统之中的,那么什么东西才能在操作系统中运行呢?当然是进程,因为进程是操作系统中的执行单位。可以这样理解,当它在运行的时候,它就是一个操作系统中的进程实例,当它没有在运行时(作为可执行文件存放于文件系统中),可以把它叫做程序。

  对命令行比较熟悉的同学,都知道其实一个命令对应一个可执行的二进制文件,当敲下这个命令并且回车后,就会创建一个进程,加载对应的可执行文件到进程的地址空间中,并且执行其中的指令。下面对比C语言和Java语言的HelloWorld程序来说明问题。

  gcc编译器编译后的文件直接就是可被操作系统识别的二进制可执行文件,当我们在命令行中敲下 ./HelloWorld这条命令的时候, 直接创建一个进程, 并且将可执行文件加载到进程的地址空间中, 执行文件中的指令。

  作为对比, 我们看一下Java版HelloWord程序的编译和执行形式。

  从上面的过程可以看到, 我们在运行Java版的HelloWorld程序的时候, 敲入的命令并不是 ./HelloWorld.class 。 因为class文件并不是可以直接被操作系统识别的二进制可执行文件 。 我们敲入的是java这个命令。 这个命令说明, 我们首先启动的是一个叫做java的程序, 这个java程序在运行起来之后就是一个JVM进程实例。

  java命令首先启动虚拟机进程,虚拟机进程成功启动后,读取参数“HelloWorld”,把他作为初始类加载到内存,对这个类进行初始化和动态链接(关于类的初始化和动态链接会在后面的博客中介绍),然后从这个类的main方法开始执行。也就是说我们的.class文件不是直接被系统加载后直接在cpu上执行的,而是被一个叫做虚拟机的进程托管的。首先必须虚拟机进程启动就绪,然后由虚拟机中的类加载器加载必要的class文件,包括jdk中的基础类(如String和Object等),然后由虚拟机进程解释class字节码指令,把这些字节码指令翻译成本机cpu能够识别的指令,才能在cpu上运行。

  从这个层面上来看,在执行一个所谓的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,而不是我们写的一个个的class文件。这个叫做虚拟机的进程处理一些底层的操作,比如内存的分配和释放等等。我们编写的class文件只是虚拟机进程执行时需要的“原料”。这些“原料”在运行时被加载到虚拟机中,被虚拟机解释执行,以控制虚拟机实现我们java代码中所定义的一些相对高层的操作,比如创建一个文件等,可以将class文件中的信息看做对虚拟机的控制信息,也就是一种虚拟指令。

  编程语言也有自己的原理, 学习一门语言, 主要是把它的原理搞明白。 看似一个简单的HelloWorld程序, 也有很多深入的内容值得剖析。

  根据上图表达的内容,我们编译之后的class文件是作为Java虚拟机的原料被输入到Java虚拟机的内部的,那么具体由谁来做这一部分工作呢?其实在Java虚拟机内部,有一个叫做类加载器的子系统,这个子系统用来在运行时根据需要加载类。注意上面一句话中的“根据需要”四个字。在Java虚拟机执行过程中,只有他需要一个类的时候,才会调用类加载器来加载这个类,并不会在开始运行时加载所有的类。就像一个人,只有饿的时候才去吃饭,而不是一次把一年的饭都吃到肚子里。一般来说,虚拟机加载类的时机,在第一次使用一个新的类的时候。本专栏后面的文章会具体讨论Java中的类加载器。

  由虚拟机加载的类,被加载到Java虚拟机内存中之后,虚拟机会读取并执行它里面存在的字节码指令。虚拟机中执行字节码指令的部分叫做执行引擎。就像一个人,不是把饭吃下去就完事了,还要进行消化,执行引擎就相当于人的肠胃系统。在执行的过程中还会把各个class文件动态的连接起来。关于执行引擎的具体行为和动态链接相关的内容也会在本专栏后续的文章中进行讨论。

  我们知道,Java虚拟机会进行自动内存管理。具体说来就是自动释放没有用的对象,而不需要程序员编写代码来释放分配的内存。这部分工作由垃圾收集子系统负责。

  从上面的论述可以知道, 一个Java虚拟机实例在运行过程中有三个子系统来保障它的正常运行,分别是类加载器子系统, 执行引擎子系统和垃圾收集子系统。 如下图所示:

  虚拟机的运行,必须加载class文件,并且执行class文件中的字节码指令。它做这么多事情,必须需要自己的空间。就像人吃下去的东西首先要放在胃中。虚拟机也需要空间来存放个中数据。首先,加载的字节码,需要一个单独的内存空间来存放;一个线程的执行,也需要内存空间来维护方法的调用关系,存放方法中的数据和中间计算结果;在执行的过程中,无法避免的要创建对象,创建的对象需要一个专门的内存空间来存放。关于虚拟机运行时数据区的内容,也会出现在本专栏后续的文章中。虚拟机的运行时内存区大概可以分成下图所示的几个部分。(这里只是大概划分,并没有划分的很精细)

  写到这里,基本上关于我对java虚拟机的理解就写完了。这篇文章的主题虽然是深入理解Java虚拟机,但是你可能感觉一点也不“深入”,也只是泛泛而谈。我也有这样的感觉。限于自己水平有限,也只能这样了,要是想深入理解java虚拟机,强烈建议读一下三本书:

  其实我也读过这几本书,但是它们对虚拟机的解释也是基于一个外部模型,而没有深入剖析虚拟机内部的实现原理。虚拟机是一个大而复杂的东西,实现虚拟机的人都是大牛级别的,如果不是参与过虚拟机的实现,应该很少有人能把它参透。本专栏后面的一些文章也参考了这三本书, 虽然讲解Java语法的书不计其数, 但是深入讲解虚拟机的书, 目前为止我就见过这三本,并且网上的资料也不是很多。

  2 这个叫做虚拟机的进程比较特殊,它能够加载我们编写的class文件。如果把JVM比作一个人,那么class文件就是我们吃的食物。

  3 加载class文件的是一个叫做类加载器的子系统。就好比我们的嘴巴,把食物吃到肚子里。

  4 虚拟机中的执行引擎用来执行class文件中的字节码指令。就好比我们的肠胃,对吃进去的食物进行消化。

  5 虚拟机在执行过程中,要分配内存创建对象。当这些对象过时无用了,必须要自动清理这些无用的对象。清理对象回收内存的任务由垃圾收集器负责。就好比人吃进去的食物,在消化之后,必须把废物排出体外,腾出空间可以在下次饿的时候吃饭并消化食物。

  原理和运行class文件一样,只需加上参数-cp jar文件名;即可。

  当一台机器上有多个jdk版本时,需要知道当前使用的是那个版本的jdk,使用参数-version即可知道其版本,命令行为:

  Java虚拟机可使用的最大内存是有限制的,缺省值通常为64MB或128MB。

  如果一个应用程序为了提高性能而把数据加载内存中而占用较大的内存,比如超过了默认的最大值128MB,需要加大java虚拟机可使用的最大内存,否则会出现Out of Memory的异常。启动java时,需要使用如下两个参数:

  以上两个命令行参数中设置的size,可以带单位,例如:256m表示256MB

  表示Java虚拟机初始化时使用的内存为128MB,可使用的最大内存为256MB。

  1、java虚拟机是一种抽象化的计算机,通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机有自己完善的硬体架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

  2、Java虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使得Java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。

  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操作符,用于指定要执行的操作,还有0个或多个操作数,提供操作所需的参数或数据。许多指令没有操作数,仅由一个单字节的操作符构成。

  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。指令中操作数的数量和大小是由操作符决定的。如果操作数比一个字节大,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tabltch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。

  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。

  ⑴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操作数栈的指令,也提供了把操作数栈中的值写入局部变量的指令。

  ⑵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。

  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。

  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

  ·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。

  ⑶操作数栈区机器指令只从操作数栈中取操作数,对它们进行操作,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。操作数栈是32位的。

  它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持操作的参数,并保存操作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是操作数栈顶的两个字。

  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,并把结果压回到操作数栈中。

  每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的操作。每个操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。操作数只能被适用于其类型的操作符所操作。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,有少数操作(操作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行操作时是不考虑类型的。

  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。

  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。

  Java虚拟机(JVM)一种用于计算机设备的规范,可用不同的方式(软件或硬件)加以实现。编译虚拟机的指令集与编译微处理器的指令集非常类似。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

  Java虚拟机(JVM)是可运行Java代码的假想计算机。只要根据JVM规格描述将解释器移植到特定的计算机上,就能保证经过编译的任何Java代码能够在该系统上运行。

  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。

  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。

  Java虚拟机是运行所有Java程序的抽象计算机,是Java语言的运行环境,它是Java 最具吸引力的特性之一。

  Java虚拟机有自己完善的硬体架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。Java虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使得Java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虚拟机一种用于计算机设备的规范,可用不同的方式(软件或硬件)加以实现。Java虚拟机(JVM)是可运行Java代码的假想计算机。Java虚拟机规范定义了一个抽象的—而非实际的—机器或处理器。这个规范描述了一个指令集,一组寄存器,一个堆栈,和一个方法区。

  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。

  Java虚拟机(Java Virtual Machine 简称JVM)是运行所有Java程序的抽象计算机,是Java语言的运行环境,它是Java 最具吸引力的特性之一。

  虚拟机是一种抽象化的计算机,通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

  Java虚拟机有自己完善的硬体架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

  Java虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使得Java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(JVM)一种用于计算机设备的规范,可用不同的方式(软件或硬件)加以实现。

  编译虚拟机的指令集与编译微处理器的指令集非常类似。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

  Java虚拟机是Java语言底层实现的基础。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。

  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。

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