虚拟机和Java虚拟机简介

文章目录

• 虚拟机和Java虚拟机简介
• • 1. 虚拟机
  • 2. Java虚拟机
  • • 2.1 简介
    • 2.2 作用
    • 2.3 特点
    
    
  • 3. 基于栈的指令集架构和基于寄存器的指令集架构
  • • 3.1 基于栈式架构的特点
    • 3.2 基于寄存器架构的特点
    • 3.3 举例
    • • 3.3.1 基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）
      • 3.3.2 基于寄存器的计算流程（以ARM指令集为例）
      
      
    • 3.4 总结
    
    
  • 4 HotSpot VM
  • • 4.1 简介
    • 4.2 整体结构
    
    
  • 5 JVM的生命周期
  • • 5.1 虚拟机的启动
    • 5.2 虚拟机的执行
    • 5.3 虚拟机的退出
    
    
  • Reference
  
  

1. 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，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

• 系统虚拟机：Visual Box，VMware等就属于系统虚拟机，完全是对物理计算机的仿真，提供一个可运行完整操作系统的软件平台
• 程序虚拟机：典型代表就是Java虚拟机，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称为Java字节码指令

2. Java虚拟机

2.1 简介

• Java虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）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（只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行）
• JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回收机制以及可靠的即时编译器
• 所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部，JVM是Java技术的核心

2.2 作用

• 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

2.3 特点

• 一次编译、到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收功能

3. 基于栈的指令集架构和基于寄存器的指令集架构

3.1 基于栈式架构的特点

• 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
• 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（零地址指令又叫堆栈运算指令， 必须依赖于栈， 操作数都来自栈， 栈顶和次栈顶）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

3.2 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虛拟机
• 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（操作码+操作数），而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

3.3 举例

3.3.1 基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）

public class InstructionTes {
public static void main(String[] args) {
int a = 2;
int b = 3;
int c = a + b;
}
}


对应的字节码指令：

0 iconst_2 // 常量2入栈
1 istore_1
2 iconst_3 // 常量3入栈
3 istore_2
4 iload_1
5 iload_2
6 iadd // 常量2 3 出栈相加，结果入栈
7 istore_3
8 return


查看字节码：

• 使用javap指令：javap -v InstructionTes.class

• 在IntelliJ IDEA中安装 Jclasslib 插件

3.3.2 基于寄存器的计算流程（以ARM指令集为例）

MOV R1, #2 ; 把常数2传给R1
MOV R2, #3 ; 把常数3传给R2
ADD R0,R1,R2 ;R0=R1+R2


3.4 总结

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

4 HotSpot VM

4.1 简介

• JDK1.3时，HotSpot VM成为默认虚拟机

• 不管是现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中，默认的虚拟机都是HotSpot

• 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有编译价值代码，触发即时编译或栈上替换
  • 通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

4.2 整体结构

• ClassLoader
  
  • Java源文件经过编译后生成二进制字节码，通过类加载器进入JVM运行
• JVM内存结构
  
  • 类 ： 方法区
  • 实例对象 ：堆
  • 堆里的实例对象调用方法时会用到虚拟机栈、程序计数器、本地方法栈
• 执行引擎
  
  • 方法执行时每行代码由解释器执行
  • 方法里的热点代码（频繁调用的代码）由JIT Compiler做优化后执行
  • GC对堆里不再被引用的对象进行垃圾回收
• 本地方法接口
  
  • Java代码不方便实现的功能必须调用底层操作系统的功能
  • 借助本地方法接口调用底层操作系统的一些方法

5 JVM的生命周期

5.1 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）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类由虚拟机的具体实现指定

5.2 虚拟机的执行

• 程序开始执行时JVM才运行，程序结束时JVM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

5.3 虚拟机的退出

有如下几种情况：

• 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
• 由于操作系统出现错误而导致Java虛拟机进程终止
• 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虛拟机的退出情况

Reference

• 尚硅谷详解JVM虚拟机