JVM上篇：JVM的定义

虚拟机与JVM虚拟机

虚拟机

所谓虚拟机&＃xff08;Virtual Machine&＃xff09;&＃xff0c;就是一台虚拟的计算机。它是一款软件&＃xff0c;用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上&＃xff0c;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&＃xff0c;Mware就属于系统虚拟机&＃xff0c;它们完全是对物理计算机的仿真&＃xff0c;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&＃xff0c;它专门为执行单个计算机程序而设计&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;它拥有独立的运行机制&＃xff0c;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&＃xff0c;以及可靠的即时编译器。
Java技术的核心就是Java虚拟机&＃xff08;JVM&＃xff0c;Java Virtual Machine&＃xff09;&＃xff0c;因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。

作用

Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境&＃xff0c;负责装载字节码到其内部&＃xff0c;解释/编译为对应平台上的机器指令执行。 每一条Java指令&＃xff0c;Java虚拟机规范中都有详细定义&＃xff0c;如怎么取操作数&＃xff0c;怎么处理操作数&＃xff0c;处理结果放在哪里。

特点

一次编译&＃xff0c;到处运行
自动内存管理
自动垃圾回收功能

执行流程

• 其中 java编译器被称为 前端编译器&＃xff0c;主要用于将高级语言便以为字节码文件。
• JIT为后端编译器&＃xff0c;主要用于将字节码编译为汇编语言&＃xff0c;且将热点指令缓存到缓冲区中&＃xff08;负责执行的性能&＃xff09;。

JVM的指令架构模型

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&＃xff0c;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&＃xff1a;这两种架构之间的区别&＃xff1a;

基于栈式架构的特点

1. 设计和实现更简单&＃xff0c;适用于资源受限的系统
2. 避开了寄存器的分配难题&＃xff1a;使用零地址指令方式分配
3. 指令流中的指令大部分是零地址指令&＃xff0c;其执行过程依赖于操作栈。指令集更小&＃xff0c;编译器容易实现
4. 不需要硬件支持&＃xff0c;可移植性更好&＃xff0c;更好实现跨平台

基于寄存器架构的特点

1. 典型的应用是x86的二进制指令集&＃xff1a;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&＃xff0c;可移植性差
2. 性能优秀和执行更高效 花费更少的指令去完成一项操作
3. 在大部分情况下&＃xff0c;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&＃xff0c;而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主.

举例说明

基于栈的指令是8位对齐的&＃xff0c;指令集小但是指令数多。基于寄存器的指令是16为对齐的指令集大指令数小。

查看java程序字节码的过程

• 编译所写程序代码
  1. 如果第一次则直接运行&＃xff0c;就会在out文件夹中的相应目录中生成字节码。
  2. 如果再次运行&＃xff0c;可以点击 Build->recomple xxx.java 重新编译修改后的代码。
     
• 反编译字节码&＃xff0c;生成基于栈的机器指令代码&＃xff1a;
  进入字节码所有文件夹&＃xff0c;javap -v xxx.class 生成对应的指令代码

同样执行2&＃43;3这种逻辑操作

原文件代码

int i &＃61;2;
int j&＃61;3;
int k &＃61;i&＃43;j;


基于栈的计算流程&＃xff08;以Java虚拟机为例&＃xff09;&＃xff08;需要8行&＃xff09;&＃xff1a;

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&＃xff0c;执行相加
istore_0 // 结果5入栈


而基于寄存器的计算流程&＃xff08;只需两行&＃xff09;

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


执行符合运算

原文件代码

public int calc(){int a&＃61;100;int b&＃61;200;int c&＃61;300;return (a &＃43; b) * c;
}


字节码反编译后&＃xff1a;

> javap -c Test.class
...
public int calc();Code:Stack&＃61;2,Locals&＃61;4,Args_size&＃61;10: bipush 1002: istore_13: sipush 2006: istore_27: sipush 30010: istore_311: iload_112: iload_213: iadd14: iload_315: imul16: ireturn
}


总结

由于跨平台性的设计&＃xff0c;Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同&＃xff0c;所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台&＃xff0c;指令集小&＃xff0c;编译器容易实现&＃xff0c;缺点是性能下降&＃xff0c;实现同样的功能需要更多的指令。

栈&＃xff1a;跨平台性、指令小、指令多&＃xff1b;执行性能比寄存器差。

时至今日&＃xff0c;尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了&＃xff08;准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了&＃xff09;&＃xff0c;那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢&＃xff1f;
答&＃xff1a;由于结构简单&＃xff0c;基于栈的结构也能在嵌入式平台中使用&＃xff0c;所以没有变。

JVM 的生命周期

虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器&＃xff08;bootstrap class loader&＃xff09;创建一个初始类&＃xff08;initial class&＃xff09;来完成的&＃xff0c;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&＃xff1a;执行Java程序。
• 程序开始执行时他才运行&＃xff0c;程序结束时他就停止。
• 执行一个所谓的Java程序的时候&＃xff0c;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

有如下的几种情况&＃xff1a;

• 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&＃xff0c;或Runtime类的halt方法&＃xff0c;并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作。
• 除此之外&＃xff0c;JNI&＃xff08;Java Native Interface&＃xff09;规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载 Java虚拟机时&＃xff0c;Java虚拟机的退出情况。

X. JVM的发展历程

1. Sun Classic VM&＃xff1a; 第一款商用虚拟机&＃xff0c;JDK1.4时完全被淘汰。只存在解释器&＃xff0c;不存在即时编译器&＃xff0c;因此效率低下。
2. Exact VM&＃xff1a; 为了解决上一个虚拟机问题&＃xff0c;jdk1.2时&＃xff0c;Sun提供了此虚拟机。提供 Exact Memory Management 。虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型。具备现代高性能虚拟机的维形
   热点探测。编译器与解释器混合工作模式
3. HotSpot VM&＃xff1a;JDK1.3后成为默认虚拟机。名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。
   • 通过计数器找到最具编译价值代码&＃xff0c;触发即时编译或栈上替换
   • 通过编译器与解释协同工作&＃xff0c;在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

总结&＃xff1a;具体JVM的内存结构&＃xff0c;其实取决于其实现&＃xff0c;不同厂商的JVM&＃xff0c;或者同一厂商发布的不同版本&＃xff0c;都有可能存在一定差异。主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。