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JVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是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。这就是Java的能够"一次编译,到处运行"的原因。

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。

JVM的设计目标是提供一个基于抽象规格描述的计算机模型,为解释程序开发人员提很好的灵活性,同时也确保Java代码可在符合该规范的任何系统上运行。JVM对其实现的某些方面给出了具体的定义,特别是对Java可执行代码,即字节码(Bytecode)的格式给出了明确的规格。这一规格包括操作码操作数的语法和数值、标识符的数值表示方式、以及Java类文件中的Java对象、常量缓冲池在JVM的存储映象。这些定义为JVM解释器开发人员提供了所需的信息和开发环境。Java的设计者希望给开发人员以随心所欲使用Java的自由。 

JVM定义了控制Java代码解释执行和具体实现的五种规格,它们是: 

1.JVM指令系统

2.JVM寄存器

3.JVM栈结构

4.JVM碎片回收堆

5.JVM存储区

JVM指令系统同其他计算机的指令系统极其相似。Java指令也是由 操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数,操作数紧随在操作码的后面,其长度根据需要而不同。操作码用于指定一条指令操作的性质(在这里我们采用汇编符号的形式进行说明),如iload表示从存储器中装入一个整数,anewarray表示为一个新数组分配空间,iand表示两个整数的"与",ret用于流程控制,表示从对某一方法的调用中返回。当长度大于8位时,操作数被分为两个以上字节存放。JVM采用了"big endian"的编码方式来处理这种情况,即高位bits存放在低字节中。这同 Motorola及其他的RISC CPU采用的编码方式是一致的,而与Intel采用的"little endian "的编码方式即低位bits存放在低位字节的方法不同。Java指令系统是以Java语言的实现为目的设计的,其中包含了用于调用方法和监视多线程系统的指令。Java的8位操作码的长度使得JVM最多有256种指令,目前已使用了160多种操作码。

JVM可以由不同的厂商来实现。由于厂商的不同必然导致JVM在实现上的一些不同,然而JVM还是可以实现跨平台的特性,这就要归功于设计JVM时的体系结构了。我们知道,一个JVM实例的行为不光是它自己的事,还涉及到它的子系统、存储区域数据类型和指令这些部分,它们描述了JVM的一个抽象的内部体系结构,其目的不光规定实现JVM时它内部的体系结构,更重要的是提供了一种方式,用于严格定义实现时的外部行为。每个JVM都有两种机制,一个是装载具有合适名称的类(类或是接口),叫做类装载子系统;另外的一个负责执行包含在已装载的类或接口中的指令,叫做运行引擎。每个JVM又包括方法区、堆、Java栈、程序计数器和本地方法栈这五个部分,这几个部分和类装载机制与运行引擎机制一起组成的体系结构图为:

JVM的每个实例都有一个它自己的方法域和一个堆,运行于JVM内的所有的线程都共享这些区域;当虚拟机装载类文件的时候,它解析其中的二进制数据所包含的类信息,并把它们放到方法域中;当程序运行的时候,JVM把程序初始化的所有对象置于堆上;而每个线程创建的时候,都会拥有自己的程序计数器和Java栈,其中程序计数器中的值指向下一条即将被执行的指令,线程的Java栈则存储为该线程调用Java方法的状态;本地方法调用的状态被存储在本地方法栈,该方法栈依赖于具体的实现。

下面分别对这几个部分进行说明。

执行引擎处于JVM的核心位置,在Java虚拟机规范中,它的行为是由指令集所决定的。尽管对于每条指令,规范很详细地说明了当JVM执行字节码遇到指令时,它的实现应该做什么,但对于怎么做却言之甚少。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。

虚拟机的内层循环的执行过程如下:

do{

取一个操作符字节;

根据操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。对于本地方法接口,实现JVM并不要求一定要有它的支持,甚至可以完全没有。Sun公司实现Java本地接口(JNI)是出于可移植性的考虑,当然我们也可以设计出其它的本地接口来代替Sun公司的JNI。但是这些设计与实现是比较复杂的事情,需要确保垃圾回收器不会将那些正在被本地方法调用的对象释放掉。

Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间,它的管理是由垃圾回收来负责的:不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的垃圾回收算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。

Java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,方法代码不包括在垃圾回收堆中,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