Chapter 2. The Structure of the Java Virtual Machine阅读笔记

第二章. Java虚拟机的结构

这篇文章定义了一个抽象的java虚拟机。不包含任何的具体实现。
为了正确地实现一个java虚拟机，你只需要正确地解析class文件并且正确地执行文件定义的操作。不属于java虚拟机定义的实现细节将不必要地限制实现者的创造力。比如，运行时数据区的内存布局，使用的垃圾回收算法，以及任何对java虚拟机指令的优化（比如，将它们翻译成机器代码）都由实现者自行决定。
本规范所有对Unicode的引用都针对Unicode6.0.0版本。 http://www.unicode.org/.

2.1 Class文件格式

JVM执行的代码使用一种硬件，操作系统独立的二进制格式，一般（不是必须）存放在一个叫做class的文件格式中。class文件精确地定义了如何表示一个类或者接口，包括字节序等细节。

2.2 数据类型

JVM操作两种类型的数据，primitive和reference。
JVM期望在run time之前完成几乎所有的类型检查，一般由编译器完成而不是JVM。primitive的值不需要被标记或者在运行时被检查来确认它们的类型，或者与reference类型的值区分。取而代之，通过使用为了操作特定类型而设计的JVM指令集来区分操作数的类型。比如，iadd, ladd, fadd, dadd。
JVM明确支持对象。对象是动态分配的class实例或者数组。指向对象的引用被认为是JVM的reference类型。引用类型的值可以认为是指向对象的指针。对一个对象的多个引用是可以存在的。

2.3 Primitive类型与值

JVM支持三种primitive类型，分别是数字类型，布尔类型和returnAddress类型。
数字类型包括整数和浮点数。
整数包括：

• byte，其值为8位有符号的二进制补码（Two's complement）整数，默认值为0。
• short，16位，0
• int， 32位， 0
• long, 64位，0
• char, 16位无符号， UTF-16，默认值\u0000
  浮点数包括
• float，float value set and float-extended-exponent value set, 默认值+0
• double, double value set and double-extended-exponent value set， 默认值+0
  布尔类型，默认false
  returnAddress类型是指向JVM指令的操作码的指针。primitive类型中，只有returnAddress没有与java编成语言类型直接关联。

2.3.1 整数

• byte: [-2⁷~2⁷-1]
• char: [0, 2⁸-1]

2.3.2 浮点数

IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic (ANSI/IEEE Std. 754-1985, New York).
IEEE 754: 正负数字，正负0，正负无穷，NaN
所有的JVM必须实现float value set和double value set。可以实现float-extended-exponent value sets和double-extended-exponent value set。
有限非零的浮点数的表示公式：s ⋅ m ⋅ 2^{(e − N + 1)}
s = +1 or -1
0 < m <= 2^N
-(2^K-1-2) <= e <= (2^K-1-1)
N and K depend on the value set
normalized value: m >= 2^N-1

Parameter	float	float-extended-exponent	double	double-extended-exponent
N	24	24	53	53
K	8	≥ 11	11	≥ 15
Emax	+127	≥ +1023	+1023	≥ +16383
Emin	-126	≤ -1022	-1022	≤ -16382

extended value set拥有更高的精度
float value set的元素正好是用IEEE 754可以表示的值，除了NaN（IEEE中有2²⁴-2个不同的NaN表示）。double value set同理。
float-extended-exponent value set与IEEE 754 single extended不是对应的，double同理。本规范不指定任何特定的对于float-point value sets的表示方式，除了float-point values必须可以被class文件格式表示。
float, float-extended-exponent, double, and double-extended-exponent value sets不是类型。使用float value set中的元素来表示float类型的一个值总是正确的。在特定的上下文，使用float-extended-exponent value set的元素作为float类型的值的实现是可以的。
除了NaNs，float-point value sets是有序（ordered）的。
+0 equals -0, 1.0/0.0 = +inf, 1.0/-0.0 = -inf
NaN is unordered。test for numerical equality is false when either operand is NaN

2.3.3 returnAddress

returnAddress类型被用于jsr, ret和jsr_w指令。没有对应的java编程类型。

2.3.4 boolean

JVM没有专用于操作boolean类型的指令。java编程语言中对boolean的操作在JVM中被转化为对JVM int类型的操作。
JVM支持boolean数组，使用newarray指令创建。boolean数组使用byte数组指令baload,bastore访问和修改。
Oracle的JVM实现中，对于boolean数组，每个boolean元素使用使用一个byte表示。
编译器将Java language的boolean类型映射为JVM的int类型。

2.4 Reference Type and Values

三种引用类型，class, array, interface。引用的值是动态创建的类的实例或者数组，或者分别实现了接口的类实例或者数组。
array类型由一维的component type组成（长度不由component type给出）。component type可以是array类型。the component type of a component type and so on, 最终的component type不是array类型，该类型称为该array type的element type。element type可以是class, primitive, interface。
reference类型的默认值是null。
规范不指定null的编码值。

2.5 Run-Time Data Areas

JVM定义了多种run-time data areas。一些运行时数据区在JVM启动和结束分别创建销毁，其他数据区每个线程独立分配。线程的运行时数据区在线程创建和退出时创建和销毁。

2.5.1 The pc Register

JVM支持同时执行多个线程。每个JVM线程具有自己的pc register。任何时刻，每一个JVM线程都在执行单个方法的代码，该方法称为current method for that thread。如果那个方法不是native的，pc register包含当前被执行的JVM instruction的地址。如果是native的，pc register的值undefined。JVM的pc register具有足够的宽度来存储returnAddress或者特定平台的native pointer。

2.5.2 JVM Stacks

每一个JVM thread有一个私有的JVM stack，stack与thread一同创建。JVM stack存储frame。JVM Stack与传统语言，比如c的stack类似：存储local variable和partial result，用于方法调用和返回。除了push和pop frame，JVM Stack永远不会被直接操作，所以frame可能被分配在heap上。JVM Stack的memory不必连续。
规范允许JVM Stack的size是固定的或者动态的。如果是固定的，每个thread创建时可以独立选择stack的size。
JVM的实现需要允许programmer和user选择stack的size，或者maximum size与minimum size。
以下异常情况与JVM stack相关：

• 如果计算需要stack size超过限制，JVM抛出StackOverflowError
• 对于动态stack，如果增加时，没有足够的memory，或者创建时，没有足够的memory，JVM抛出OutOfMemoryError。

2.5.3 Heap

所有JVM thread共享JVM Heap。所有的class实例和arrays都从heap这个run-time data area分配内存。
heap在JVM启动时创建。heap存储的objects由GC自动管理。objects永远不需要明确释放。JVM不假设GC的类型，GC技术由实现者根据自身系统要求自行选择。heap可以是fixed和dynamic。heap的内存不需要连续。
heap的size或者range可以指定。
以下异常情况与heap相关：

• 如果计算需要的heap空间多于GC能够提供的，抛出OutOfMemoryError

2.5.5 Method Area

JVM thread共享method area。