JVM和Java体系结构

Java的跨平台性

Java语言需要转换成字节码文件(可以通过javac命令转换),最后转换的字节码文件都能通过Java虚拟机运行和处理.

Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言实现的,它只关心字节码文件.也就是说Java虚拟机拥有语言无关性,并不会单纯地与Java语言"终身绑定",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.

字节码

我们平时所说的Java字节码,指的是java语言编译成的字节码.准确的说任何能在JVM平台上执行的字节码格式都是一样的.所以应该统称为:JVM字节码

不同的编译器,可以编译出相同的字节码文件,字节码文件也可以在不同的JVM上运行.

Java虚拟机与Java语言并没有必然联系,它只与特定的二进制文件格式(.class文件格式所关联),.class文件中包含了Java虚拟机指令集(字节码)和符号表,还有一些其他辅助信息.

java虚拟机

Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机,它用于独立的运行机制,其运行的字节码也未必由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,优秀的垃圾回收器,以及可靠的及时编译器.

Java技术的核心就是Java虚拟机,因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部.

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.每一条Java指令,Java虚拟机规范中都有详细定义,如怎么取操作数,怎么处理操作数,处理结果放在哪里.

特点

  • 一次编译,到处运行
  • 自动内存管理
  • 自动垃圾回收功能

JVM的位置

** JVM是运行在操作系统之上的,它与硬件没有直接交互**

JVM的整体结构

  • HotSpot VM是目前市场上高性能虚拟机的代表作之一.
  • 它采用解释器与即时编译器并存的架构
  • 执行引擎包含三个部分:解释器,即时编译器,垃圾回收器
  • 方法区和堆是所有线程共享的内存区域;
  • 而Java栈,本地方法和程序计数器是运行的线程私有的内存区域
  • java栈又叫做JVN虚拟机栈
  • 方法区(永久代) 在jdk8中又叫做元空间
    • 方法区用于存储已经被虚拟机加载的类信息,常量,静态变量,即时编译器(JIT)编译后的代码等数据.
    • 虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫Non-Heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开.
  • Java代码大致执行流程:java源程序(编译 javac) -->字节码文件.class-->类装载子系统生成反射类(存入方法区)-->运行时数据区-->执行引擎-->解释执行+编译执行(JIT)-->操作系统

HotSpot中方法区的变动

关于方法区的结构，在过去的版本jdk1.6/1.7/1.8当中均有变动，故在此提前声明：

  • jdk1.6及之前：有永久代（permanent generation） ，静态变量、字符串常量池存放在 永久代上。
  • jdk1.7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池、静态变量移除，保存在堆中。注意：
  • jdk1.8及之后： 无永久代，类型信息、字段、方法、常量保存在本地内存的元空间，但字符串常量池、静态变量仍留在堆空间.
    注意:
  • jdk1.8之后:无永久代,类型信息,字段,方法,常量保存在本地内存的元空间
  • 但是字符串常量池,静态变量仍留在堆中
  • 除此之外,元空间(或称方法区),不再使用虚拟机内存,而是使用本地内存

Java代码执行流程

JVM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,另外一种指令架构则是基于寄存器的指令集架构.下面介绍二者之间的区别:

基于栈的指令级架构

特点:

  • 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,编译容易实现 但是指令会很多(相比于寄存器,下面有例子)
  • 不需要硬件支持,可移植性更好,更好实现跨平台

基于寄存器的指令级架构

特点:

  • 指令级架构则完全依赖硬件,与硬件的耦合度高,可移植性差
  • 性能优秀和执行更高效
  • 花费更少的指令取完成一项操作
  • 在大部分情况下,基于寄存器架构的指令集往往都是以一地址指令,二地址指令和三地址指令为主,而基于栈的指令集却是以零地址为主

两种架构的举例:

代码:

int i = 2;
int j = 3;
int k = i+j;

基于栈的计算流程

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，执行相加
istore_0 // 结果5入栈

基于寄存器的计算流程

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

如何反编译字节码文件

编写代码

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
    }
}

运行后会在out里面有一个StackStruTest.class文件,找到文件,运行 javap -v StackStruTest.class

JVM架构总结

  • 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
  • 时至今日,尽管嵌入式平台已经不是java程序的主流运行平台了(准确来说应该是HotSpot VM的宿主环境已经不再不限于嵌入式平台了),那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢?
  • 因为基于栈的架构跨平台性能好,指令集小,虽然相对于基于寄存器的架构来说,基于栈的架构编译得到的指令更多,执行性能也不如基于寄存器的架构好,但考虑到其跨平台性与移植性,我们还是选用栈的架构

JVM生命周期

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器创建一个初始类来完成的,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:执行Java程序
  • 程序开始执行时它才运行,程序结束时它就结束
  • 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

虚拟机的退出

  • 程序正常结束
  • 程序在执行过程中遇到的异常或错误而异常终止
  • 由于操作系统的错误而导致Java虚拟机进程终止
  • 某线程调用Runtime类或System类的exit()方法，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虚拟机的退出情况
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