Java虛擬機底層結構詳解

Java虛擬機

Java虛擬機（Java Virtual Machine) 簡稱JVM Java虛擬機是一個想象中的機器，在實際的計算機上經過軟件模擬來實現。Java虛擬機有本身想象中的硬件，如處理器、堆棧、寄存器等，還具備相應的指令系統。下面咱們就來看一下這幾部分比較重要的java虛擬機的結構：

1）JVM寄存器

全部的CPU均包含用於保存系統狀態和處理器所需信息的寄存器組。若是虛擬機定義義較多的寄存器，即可以從中獲得更多的信息而沒必要對棧或內存進行訪問，這有利於提升運行速度。然而，若是虛擬機中的寄存器比實際CPU的寄存器多，在實現虛擬機時就會佔用處理器大量的時間來用常規存儲器模擬寄存器，這反而會下降虛擬機的效率。針對這種狀況，JVM只設置了4個最爲經常使用的寄存器。它們是：pc程序計數器，optop操做數棧頂指針 ，frame當前執行環境指針， vars指向當前執行環境中第一個局部變量的指針， 全部寄存器均爲32位。pc用於記錄程序的執行。optop,frame和vars用於記錄指向Java棧區的指針。

2）JVM棧結構

做爲基於棧結構的計算機，Java棧是JVM存儲信息的主要方法。當JVM獲得一個java字節碼應用程序後，便爲該代碼中一個類的每個方法建立一個棧框架，以保存該方法的狀態信息。每一個棧框架包括如下三類信息：局部變量執行環境操做數棧 局部變量用於存儲一個類的方法中所用到的局部變量。vars寄存器指向該變量表中的第一個局部變量。執行環境用於保存解釋器對Java字節碼進行解釋過程當中所需的信息。它們是：上次調用的方法、局部變量指針和操做數棧的棧頂和棧底指針。執行環境是一個執行一個方法的控制中心。例如：若是解釋器要執行iadd（整數加法），首先要從frame寄存器中找到當前執行環境，然後便從執行環境中找到操做數棧，從棧頂彈出兩個整數進行加法運算，最後將結果壓入棧頂。　　操做數棧用於存儲運算所需操做數及運算的結果。

3）JVM碎片回收堆

Java類的實例所需的存儲空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔爲類實例分配空間的工做。解釋器在爲一個實例分配完存儲空間後，便開始記錄對該實例所佔用的內存區域的使用。一旦對象使用完畢，便將其回收到堆中。在Java語言中，除了new語句外沒有其餘方法爲一對象申請和釋放內存。對內存進行釋放和回收的工做是由Java運行系統承擔的。這容許Java運行系統的設計者本身決定碎片回收的方法。在SUN公司開發的Java解釋器和Hot Java環境中，碎片回收用後臺線程的方式來執行。這不但爲運行系統提供了良好的性能，並且使程序設計人員擺脫了本身控制內存使用的風險。

4）JVM存儲區

JVM有兩類存儲區：常量緩衝池和方法區。常量緩衝池用於存儲類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區則用於存儲Java方法的字節碼。對於這兩種存儲區域具體實現方式在JVM規格中沒有明確規定。這使得Java應用程序的存儲佈局必須在運行過程當中肯定，依賴於具體平臺的實現方式。JVM是爲Java字節碼定義的一種獨立於具體平臺的規格描述，是Java平臺獨立性的基礎。目前的JVM還存在一些限制和不足，有待於進一步的完善，但不管如何，JVM的思想是成功的。對比分析：若是把Java原程序想象成咱們的C++原程序，Java原程序編譯後生成的字節碼就至關於C++原程序編譯後的80x86的機器碼（二進制程序文件），JVM虛擬機至關於80x86計算機系統,Java解釋器至關於80x86CPU。在80x86CPU上運行的是機器碼，在Java解釋器上運行的是Java字節碼。　　Java解釋器至關於運行Java字節碼的「CPU」，但該「CPU」不是經過硬件實現的，而是用軟件實現的。Java解釋器實際上就是特定的平臺下的一個應用程序。只要實現了特定平臺下的解釋器程序，Java字節碼就能經過解釋器程序在該平臺下運行，這是Java跨平臺的根本。當前，並非在全部的平臺下都有相應Java解釋器程序，這也是Java並不能在全部的平臺下都能運行的緣由，它只能在已實現了Java解釋器程序的平臺下運行。 

Java虛擬機的體系結構圖

Java虛擬機從啓動到結束的生命週期，當java虛擬機啓動後，在以下幾種狀況下，Java虛擬機將結束生命週期：

1）執行了System.exit()方法

2）程序正常執行結束

3）程序在執行過程當中遇到了異常或錯誤而異常終止

4）因爲操做系統出現錯誤而致使Java虛擬機進程終止

Java虛擬機的棧三個區域

1）局部變量區

每一個Java方法使用一個固定大小的局部變量集。它們按照與vars寄存器的字偏移量來尋址。局部變量都是32位的。長整數和雙精度浮點數佔據了兩個局部變量的空間,卻按照第一個局部變量的索引來尋址。(例如,一個具備索引n的局部變量,若是是一個雙精度浮點數,那麼它實際佔據了索引n和n+1所表明的存儲空間)虛擬機規範並不要求在局部變量中的64位的值是64位對齊的。虛擬機提供了把局部變量中的值裝載到操做數棧的指令,也提供了把操做數棧中的值寫入局部變量的指令。

2）運行環境區

在運行環境中包含的信息用於動態連接,正常的方法返回以及異常捕捉。

3）操做數棧區

機器指令只從操做數棧中取操做數,對它們進行操做,並把結果返回到棧中。選擇棧結構的緣由是:在只有少許寄存器或非通用寄存器的機器(如Intel486)上,也可以高效地模擬虛擬機的行爲。操做數棧是32位的。它用於給方法傳遞參數,並從方法接收結果,也用於支持操做的參數,並保存操做的結果。例如,iadd指令將兩個整數相加。相加的兩個整數應該是操做數棧頂的兩個字。這兩個字是由先前的指令壓進堆棧的。這兩個整數將從堆棧彈出、相加,並把結果壓回到操做數棧中。

每一個原始數據類型都有專門的指令對它們進行必須的操做。每一個操做數在棧中須要一個存儲位置,除了long和double型,它們須要兩個位置。操做數只能被適用於其類型的操做符所操做。例如,壓入兩個int類型的數,若是把它們看成是一個long類型的數則是非法的。在Sun的虛擬機實現中,這個限制由字節碼驗證器強制實行。可是,有少數操做(操做符dupe和swap),用於對運行時數據區進行操做時是不考慮類型的。

本地方法棧，當一個線程調用本地方法時，它就再也不受到虛擬機關於結構和安全限制方面的約束，它既能夠訪問虛擬機的運行期數據區，也可使用本地處理器以及任何類型的棧。例如，本地棧是一個C語言的棧，那麼當C程序調用C函數時，函數的參數以某種順序被壓入棧，結果則返回給調用函數。在實現Java虛擬機時，本地方法接口使用的是C語言的模型棧，那麼它的本地方法棧的調度與使用則徹底與C語言的棧相同。

下圖能夠表示出來java程序運行的一個全過程

Java虛擬機的運行過程

上面對虛擬機的各個部分進行了比較詳細的說明，下面經過一個具體的例子來分析它的運行過程。

虛擬機經過調用某個指定類的方法main啓動，傳遞給main一個字符串數組參數，使指定的類被裝載，同時連接該類所使用的其它的類型，而且初始化它們。例如對於程序：

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[i]);
        }
    }
}

編譯後在命令行模式下鍵入： java HelloApp run virtual machine

將經過調用HelloApp的方法main來啓動java虛擬機，傳遞給main一個包含三個字符串"run"、"virtual"、"machine"的數組。如今咱們略述虛擬機在執行HelloApp時可能採起的步驟。

開始試圖執行類HelloApp的main方法，發現該類並無被裝載，也就是說虛擬機當前不包含該類的二進制表明，因而虛擬機使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進制表明。若是這個進程失敗，則拋出一個異常。類被裝載後同時在main方法被調用以前，必須對類HelloApp與其它類型進行連接而後初始化。連接包含三個階段：檢驗，準備和解析。檢驗檢查被裝載的主類的符號和語義，準備則建立類或接口的靜態域以及把這些域初始化爲標準的默認值，解析負責檢查主類對其它類或接口的符號引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對類中聲明的靜態初始化函數和靜態域的初始化構造方法的執行。一個類在初始化以前它的父類必須被初始化。整個過程以下：