一、为什么要使用JVM
所有的程序运行所需要的底层机器指令都只是有限的若干条，从大型的UNIX机器到桌面个人计算机，都是基于那些设计精良而优美的指令集。但是这些指令集之间互不相容，这就使得程序的移植变得非常困难，所需时间甚至超过了重新编写一遍的时间。于是虚拟机的概念出现了。
Java虚拟机(JVM)在多个平台上实现统一语言，.NET的虚拟机(目前)在单一平台上实现多种语言。它们都是抽象的计算机，或者可以看做一个操作系统。尽管它们都有自己的指令集，自己的内存体系，但它们却往往比实际的硬件机器简单明了。
二、Java虚拟机是什么
Java虚拟机之所以被称为是"虚拟"的，就是因为它仅仅是由一个规范来定义的抽象计算机。因此，要运行一个Java程序，首先需要一个符合该规范的具体实现。
当你说"Java虚拟机"时，有可能指的是如下三种不同的东西：
- 抽象规范
- 一个具体的实现
- 一个运行中的虚拟机实例
三、JVM有什么作用
Java虚拟机负责Java程序设计语言的内存安全、平台无关和安全特性。
四、Java体系结构
Java体系结构包括四个独立但相关的技术：
- Java程序设计语言
- Javaclass文件格式
- Java应用编程接口(API)
- Java虚拟机
五、 Java虚拟机的声明周期
一个运行时的Java虚拟机的作用就是：负责一个Java程序。当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例也诞生了。当该程序关闭退出，这个虚拟机实例也就随之小王。如果在同一台计算机上同时运行三个Java程序，则会得到三个Java虚拟机实例。每个java程序都运行于它自己的Java虚拟机实例中。
Java程序初始类中的main()方法，将作为该程序初始线程的起点，任何其他线程都是由这个初始线程启动的。
Java虚拟机中有两种线程：守护线程和非守护线程。守护线程是由虚拟机自己使用的，比如执行垃圾收集任务的线程。不过，Java程序也可以把它创建的任何线程标记为守护线程。
Java程序中的初始线程(开始于main()方法的那个线程)，是非守护线程。
只要还有任何非守护线程在运行，那么这个Java程序也在继续运行(虚拟机仍然存活)。当该程序中所有的非守护线程都终止时，虚拟机实例将自动退出。
六、Java虚拟机支持的数据类型
Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:
1. 数值类型
- 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
- char: //2字节无符号Unicode字符
- float: //4字节IEEE754单精度浮点数
- double: //8字节IEEE754双精度浮点数
几乎所有的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。
2. 其它基本数据类型包括:
- boolean
- returnAddress //4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令，同一方法中某操作码的地址
虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令，指令集对boolean只是很有限的支持。当编译器把Java源码编译为字节码时，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。在Java虚拟机中，false是由整数零来表示的，所有非零整数都表示true。
Java虚拟机还有一个只在内部使用的基本类型： returnAddress。Java程序员不能使用这个类型。这个基本类型被用来实现Java程序中的finnally字句。
3. 引用类型
- reference(引用) //对一个Javaobject(对象)的4字节引用
----类类型
----接口类型
----数组类型
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。
Java虚拟机规范定义了每一种数据类型的取值范围，但是却没有定义它们的位宽。存储这些类型的值的占位宽度，是由具体的虚拟机实现的设计者决定的。
七、 Java虚拟机体系结构
Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。
1.Java指令集
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。
2.寄存器
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。
Java虚拟机
Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。
所有寄存器都是32位的。
3.栈
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。
(1)局部变量区 每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到操作数栈的指令,也提供了把操作数栈中的值写入局部变量的指令。
(2)运行环境区 在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。
◆动态链接
运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。
◆正常的方法返回
如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。
◆异常和错误传播
异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用
·程序使用了throw语句。
当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:
·检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。
·与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行;如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的catch子句都被检查过。
·由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。
·如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。
(3)操作数栈区 机器指令只从操作数栈中取操作数,对它们进行操作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。操作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持操作的参数,并保存操作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是操作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相加,并把结果压回到操作数栈中。
每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的操作。每个操作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。操作数只能被适用于其类型的操作符所操作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数操作(操作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行操作时是不考虑类型的。
4.无用单元收集堆
Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集能力:它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。
5.方法区
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,方法代码不包括在无用单元收集堆中,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。
