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JVM-基本概述       

    Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码)，就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。
    Java虚拟机是Java语言底层实现的基础，对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质，也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员，Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java虚拟机的人来说，则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外，如果你想扩展Java语言，或是把其它语言编译成Java语言的字节码，你也需要深入地了解Java虚拟机。

JVM-数据类型       

    Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下：
    byte：//1字节有符号整数的补码
    short：//2字节有符号整数的补码
    int：//4字节有符号整数的补码
    long：//8字节有符号整数的补码
    float：//4字节IEEE754单精度浮点数
    double：//8字节IEEE754双精度浮点数
    char：//2字节无符号Unicode字符

    Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。操作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了操作数的数据类型，例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加，其操作数类型别是int、long、float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令，包括integer返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机，在运行Java数值计算程序时，可能会非常慢。

    虚拟机支持的其它数据类型包括：

    object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用
    returnAddress//4字节，用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

    注：Java数组被当作object处理。

    虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中，对object的引用是一个句柄，其中包含一对指针：一个指针指向该object的方法表，另一个指向该object的数据。用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机，它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java虚拟机支持的数据类型可以看出，Java对数据类型的内部格式进行了严格规定，这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的，从而保证了Java的与平台无关性和可
移植性。

JVM-指令系统       

    JVM指令系统同其他计算机的指令系统极其相似。Java指令也是由 操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数，操作数进紧随在操作码的后面，其长度根据需要而不同。操作码用于指定一条指令操作的性质（在这里采用汇编符号的形式进行说明），如iload表示从存储器中装入一个整数，anewarray表示为一个新数组分配空间，iand表示两个整数的“与”，ret用于流程控制，表示从对某一方法的调用中返回。当长度大于8位时，操作数被分为两个以上字节存放。JVM采用了"big endian"的编码方式来处理这种情况，即高位bits存放在低字节中。这同 Motorola及其他的RISC CPU采用的编码方式是一致的，而与Intel采用的“little endian”的编码方式即低位bits存放在低位字节的方法不同。
    Java指令系统是以Java语言的实现为目的设计的，其中包含了用于调用方法和监视多先程系统的指令。Java的8位操作码的长度使得JVM最多有256种指令，已使用了160多种操作码。

    所有的CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组。如果虚拟机定义较多的寄存器，便可以从中得到更多的信息而不必对栈或内存进行访问，这有利于提高运行速度。然而，如果虚拟机中的寄存器比实际CPU的寄存器多，在实现虚拟机时就会占用处理器大量的时间来用常规存储器模拟寄存器，这反而会降低虚拟机的效率。针对这种情况，JVM只设置了4个最为常用的寄存器。它们是：

    pc程序计数器
    optop操作数栈顶指针
    frame当前执行环境指针
    vars指向当前执行环境中第一个局部变量的指针所有寄存器均为32位。pc用于记录程序的执行。optop，frame和vars用于记录指向Java栈区的指针。

JVM-栈结构       

    作为基于栈结构的计算机，Java栈是JVM存储信息的主要方法。当JVM得到一个Java字节码应用程序后，便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架，以保存该方法的状态信息。每个栈框架包括以下三类信息：
    局部变量
    执行环境
    操作数栈

    局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。vars寄存器指向该变量表中的第一个局部变量。

    执行环境用于保存解释器对Java字节码进行解释过程中所需的信息。它们是：上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。执行环境是一个执行一个方法的控制中心。例如：如果解释器要执行iadd(整数加法)，首先要从frame寄存器中找到当前执行环境，而后便从执行环境中找到操作数栈，从栈顶弹出两个整数进行加法运算，最后将结果压入栈顶。

    操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果。

JVM-碎片回收堆       

    Java类的实例所需的存储空间是在堆上分配的。解释器具体承担为类实例分配空间的工作。解释器在为一个实例分配完存储空间后，便开始记录对该实例所占用的内存区域的使用。一旦对象使用完毕，便将其回收到堆中。
    在Java语言中，除了new语句外没有其他方法为一对象申请和释放内存。对内存进行释放和回收的工作是由Java运行系统承担的。这允许Java运行系统的设计者自己决定碎片回收的方法。在SUN公司开发的Java解释器和Hot Java环境中，碎片回收用后台线程的方式来执行。这不但为运行系统提供了良好的性能，而且使程序设计人员摆脱了自己控制内存使用的风险。

    JVM有两类存储区：常量缓冲池和方法区。常量缓冲池用于存储类名称、方法和字段名称以及串常量。方法区则用于存储Java方法的字节码。对于这两种存储区域具体实现方式在JVM规格中没有明确规定。这使得Java应用程序的存储布局必须在运行过程中确定，依赖于具体平台的实现方式。
    JVM是为Java字节码定义的一种独立于具体平台的规格描述，是Java平台独立性的基础。JVM还存在一些限制和不足，有待于进一步的完善，但无论如何，JVM的思想是成功的。

    对比分析：如果把Java原程序想象成C++原程序，Java原程序编译后生成的字节码就相当于C++原程序编译后的80x86的机器码（二进制程序文件），JVM虚拟机相当于80x86计算机系统，Java解释器相当于80x86CPU。在80x86CPU上运行的是机器码，在Java解释器上运行的是Java字节码。

    Java解释器相当于运行Java字节码的“CPU”，但该“CPU”不是通过硬件实现的，而是用软件实现的。Java解释器实际上就是特定的平台下的一个应用程序。只要实现了特定平台下的解释器程序，Java字节码就能通过解释器程序在该平台下运行，这是Java跨平台的根本。当前，并不是在所有的平台下都有相应Java解释器程序，这也是Java并不能在所有的平台下都能运行的原因，它只能在已实现了Java解释器程序的平台下运行。

JVM-体系结构       

    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??归功于设计JVM时的体系结构了。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。
    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。

    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{

    取一个操作符字节；

    根据操作符的值执行一个动作；

    }while(程序未结束)

    由于指令系统的简单性，使得虚拟机执行的过程十分简单，从而有利于提高执行的效率。指令中操作数的数量和大小是由操作符决定的。如果操作数比一个字节大，那么它存储的顺序是高位字节优先。例如，一个16位的参数存放时占用两个字节，其值为：

    第一个字节*256+第二个字节字节码。

    指令流一般只是字节对齐的。指令tableswitch和lookup是例外，在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。对于本地方法接口，实现JVM并不要求一定要有它的支持，甚至可以完全没有。Sun公司实现Java本地接口(JNI)是出于可移植性的考虑，当然也可以设计出其它的本地接口来代替Sun公司的JNI。但是这些设计与实现是比较复杂的事情，需要确保垃圾回收器不会将那些正在被本地方法调用的对象释放掉。

    Java的堆是一个运行时数据区，类的实例(对象)从中分配空间，它的管理是由垃圾回收来负责的：不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的垃圾回收算法，可以根据系统的需求使用各种各样的算法。

    Java方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中，方法代码不包括在垃圾回收堆中，但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性，Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范。

    Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态，与微处理器中的某些专用寄存器类似。Java虚拟机的寄存器有四种：
    pc： Java程序计数器；

    optop： 指向操作数栈顶端的指针；

    frame： 指向当前执行方法的执行环境的指针；

    vars： 指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。

    在上述体系结构图中所说的是第一种，即程序计数器，每个线程一旦被创建就拥有了自己的程序计数器。当线程执行Java方法的时候，它包含该线程正在被执行的指令的地址。但是若线程执行的是一个本地的方法，那么程序计数器的值就不会被定义。

    Java虚拟机的栈有三个区域：局部变量区、运行环境区、操作数区。