java虚拟机详解.docx

深入理解JVM1  Java技术与Java虚拟机说起Java,人们首先想到的是Java编程语言,然而事实上,Java是一种技术,它由四方面组成:Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(JavaAPI)。它们的关系如下图所示:图1  Java四个方面的关系运行期环境代表着Java平台,开发人员编写Java代码(.java文件),然后将之编译成字节码(.class文件)。最后字节码被装入内存,一旦字节码进入虚拟机,它就会被解释器解释执行,或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。从上图也可以看出Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建,Java语言则是进入这个平台的通道,用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上。这个平台的结构如下图所示:在Java平台的结构中,可以看出,Java虚拟机(JVM)处在核心的位置,是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口,移植接口由两部分组成:适配器和Java操作系统,其中依赖于平台的部分称为适配器;JVM通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现;在JVM的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API,利用JavaAPI编写的应用程序(application)和小程序(Javaapplet)可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台,就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离,从而实现了Java的平台无关性。那么到底什么是Java虚拟机(JVM)呢?通常我们谈论JVM时,我们的意思可能是:对JVM规范的的比较抽象的说明;对JVM的具体实现;在程序运行期间所生成的一个JVM实例。对JVM规范的的抽象说明是一些概念的集合,它们已经在书《TheJavaVirtualMachineSpecification》(《Java虚拟机规范》)中被详细地描述了;对JVM的具体实现要么是软件,要么是软件和硬件的组合,它已经被许多生产厂商所实现,并存在于多种平台之上;运行Java程序的任务由JVM的运行期实例单个承担。在本文中我们所讨论的Java虚拟机(JVM)主要针对第三种情况而言。它可以被看成一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现,有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还有自己相应的指令系统。JVM在它的生存周期中有一个明确的任务,那就是运行Java程序,因此当Java程序启动的时候,就产生JVM的一个实例;当程序运行结束的时候,该实例也跟着消失了。下面我们从JVM的体系结构和它的运行过程这两个方面来对它进行比较深入的研究。2  Java虚拟机的体系结构刚才已经提到,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:图3  JVM的体系结构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