Question

java虚拟机的作用（详细）

Answer 1

JVM的设计目标是提供一个基于抽象规格描述的计算机模型，为解释程序开发人员提范的任何系统上运行。JVM对其实现的某些方面给出了具体的定义，特别是对Java可执行代码，即字节码（Bytecode）的格式给出了明确的规格。这一规格包括操作码和操作数的语法和数值、标识符的数值表示方式、以及Java类文件中的Java对象、常量缓冲池在JVM的存储映象。这些定义为JVM解释器开发人员提供了所需的信息和开发环境。Java的设计者希望给开发人员以随心所欲使用Java的自由。
JVM定义了控制Java代码解释执行和具体实现的五种规格，它们是：
*JVM指令系统
*JVM寄存器
*JVM栈结构
*JVM碎片回收堆
*JVM存储区
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（在这里我们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线程系统的指令。Java的8位操作码的长度使得JVM最多有256种指令，java1.6及以上版本已使用了160多种操作码。
JVM寄存器
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存储区
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。尽管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原程序想象成我们的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。
8体系结构编辑
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。
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tabltch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。
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。
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。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
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。
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。
9运行过程编辑
上面对虚拟机的各个部分进行了比较详细的说明，下面通过一个具体的例子来分析它的运行过程。
虚拟机通过调用某个指定类的方法main启动，传递给main一个字符串数组参数，使指定的类被装载，同时链接该类所使用的其它的类型，并且初始化它们。例如对于程序：
public class HelloApp {
public static void main(String[] args){
System.out.println("Hello World!");
for (int i = 0; i < args.length; i++ ) {
System.out.println(args);
}
}
}
编译后在命令行模式下键入：java HelloApp run virtual machine
将通过调用HelloApp的方法main来启动java虚拟机，传递给main一个包含三个字符串"run"、"virtual"、"machine"的数组。现在我们略述虚拟机在执行HelloApp时可能采取的步骤。