這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)JVM指的是什么意思，小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。
Java虛擬機(jī)(JVM)是可運(yùn)行Java代碼的假想計(jì)算機(jī)。只要根據(jù)JVM規(guī)格描述將解釋器移植到特定的計(jì)算機(jī)上，就能保證經(jīng)過(guò)編譯的任何Java 代碼能夠在該系統(tǒng)上運(yùn)行。
一.Java源文件的編譯、下載、解釋和執(zhí)行
Java應(yīng)用程序的開發(fā)周期包括編譯、下載、解釋和執(zhí)行幾個(gè)部分。Java編譯程序?qū)ava源程序翻譯為JVM可執(zhí)行代碼—字節(jié)碼。這一編譯過(guò)程同C /C++的編譯有些不同。當(dāng)C編譯器編譯生成一個(gè)對(duì)象的代碼時(shí)，該代碼是為在某一特定硬件平臺(tái)運(yùn)行而產(chǎn)生的。因此，在編譯過(guò)程中，編譯程序通過(guò)查表將所有對(duì)符號(hào)的引用轉(zhuǎn)換為特定的內(nèi)存偏移量，以保證程序運(yùn)行。J ava編譯器卻不將對(duì)變量和方法的引用編譯為數(shù)值引用，也不確定程序執(zhí)行過(guò)程中的內(nèi)存布局，而是將這些符號(hào)引用信息保留在字節(jié)碼中，由解釋器在運(yùn)行過(guò)程中創(chuàng)立內(nèi)存布局，然后再通過(guò)查表來(lái)確定一個(gè)方法所在的地址。這樣就有效的保證了J ava的可移植性和安全性。
運(yùn)行JVM字節(jié)碼的工作是由解釋器來(lái)完成的。解釋執(zhí)行過(guò)程分三部進(jìn)行：代碼的裝入、代碼的校驗(yàn)和代碼的執(zhí)行。裝入代碼的工作由"類裝載器" （class loader）完成。類裝載器負(fù)責(zé)裝入運(yùn)行一個(gè)程序需要的所有代碼，這也包括程序代碼中的類所繼承的類和被其調(diào)用的類。當(dāng)類裝載器裝入一個(gè)類時(shí)，該類被放在自己的名字空間中。除了通過(guò)符號(hào)引用自己名字空間以外的類，類之間沒(méi)有其他辦法可以影響其他類。在本臺(tái)計(jì)算機(jī)上的所有類都在同一地址空間內(nèi)，而所有從外部引進(jìn)的類，都有一個(gè)自己獨(dú)立的名字空間。這使得本地類通過(guò)共享相同的名字空間獲得較高的運(yùn)行效率，同時(shí)又保證它們與從外部引進(jìn)的類不會(huì)相互影響。當(dāng)裝入了運(yùn)行程序需要的所有類后，解釋器便可確定整個(gè)可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局。解釋器為符號(hào)引用同特定的地址空間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系及查詢表。通過(guò)在這一階段確定代碼的內(nèi)存布局，J ava很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問(wèn)題，同時(shí)也防止了代碼對(duì)地址的非法訪問(wèn)。
隨后，被裝入的代碼由字節(jié)碼校驗(yàn)器進(jìn)行檢查。校驗(yàn)器可發(fā)現(xiàn)操作數(shù)棧溢出，非法數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化等多種錯(cuò)誤。通過(guò)校驗(yàn)后，代碼便開始執(zhí)行了。
Java字節(jié)碼的執(zhí)行有兩種方式：
1.即時(shí)編譯方式：解釋器先將字節(jié)碼編譯成機(jī)器碼，然后再執(zhí)行該機(jī)器碼。
2.解釋執(zhí)行方式：解釋器通過(guò)每次解釋并執(zhí)行一小段代碼來(lái)完成Java字節(jié)碼程 序的所有操作。
通常采用的是第二種方法。由于JVM規(guī)格描述具有足夠的靈活性，這使得將字節(jié)碼翻譯為機(jī)器代碼的工作具有較高的效率。對(duì)于那些對(duì)運(yùn)行速度要求較高的應(yīng)用程序，解釋器可將J ava字節(jié)碼即時(shí)編譯為機(jī)器碼，從而很好地保證了Java代碼的可移植性和高性能。
二.JVM規(guī)格描述
JVM的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一個(gè)基于抽象規(guī)格描述的計(jì)算機(jī)模型，為解釋程序開發(fā)人員提很好的靈活性，同時(shí)也確保Java代碼可在符合該規(guī)范的任何系統(tǒng)上運(yùn)行。J VM對(duì)其實(shí)現(xiàn)的某些方面給出了具體的定義，特別是對(duì)Java可執(zhí)行代碼，即字節(jié)碼(Bytecode)的格式給出了明確的規(guī)格。這一規(guī)格包括操作碼和操作數(shù)的語(yǔ)法和數(shù)值、標(biāo)識(shí)符的數(shù)值表示方式、以及J ava類文件中的Java對(duì)象、常量緩沖池在JVM的存儲(chǔ)映象。這些定義為JVM解釋器開發(fā)人員提供了所需的信息和開發(fā)環(huán)境。Java的設(shè)計(jì)者希望給開發(fā)人員以隨心所欲使用J ava的自由。
JVM定義了控制Java代碼解釋執(zhí)行和具體實(shí)現(xiàn)的五種規(guī)格，它們是：
JVM指令系統(tǒng)
JVM寄存器
JVM棧結(jié)構(gòu)
JVM碎片回收堆
JVM存儲(chǔ)區(qū)
2.1JVM指令系統(tǒng)
JVM指令系統(tǒng)同其他計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)極其相似。Java指令也是由 操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼為8位二進(jìn)制數(shù)，操作數(shù)進(jìn)緊隨在操作碼的后面，其長(zhǎng)度根據(jù)需要而不同。操作碼用于指定一條指令操作的性質(zhì)（在這里我們采用匯編符號(hào)的形式進(jìn)行說(shuō)明），如i load表示從存儲(chǔ)器中裝入一個(gè)整數(shù)，anewarray表示為一個(gè)新數(shù)組分配空間，iand表示兩個(gè)整數(shù)的"與"，ret用于流程控制，表示從對(duì)某一方法的調(diào)用中返回。當(dāng)長(zhǎng)度大于8 位時(shí)，操作數(shù)被分為兩個(gè)以上字節(jié)存放。JVM采用了"big endian"的編碼方式來(lái)處理這種情況，即高位bits存放在低字節(jié)中。這同 Motorola及其他的RISC CPU采用的編碼方式是一致的，而與Intel采用的"little endian "的編碼方式即低位bits存放在低位字節(jié)的方法不同。
Java指令系統(tǒng)是以Java語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)為目的設(shè)計(jì)的，其中包含了用于調(diào)用方法和監(jiān)視多先程系統(tǒng)的指令。Java的8位操作碼的長(zhǎng)度使得J VM最多有256種指令，目前已使用了160多種操作碼。
2.2JVM指令系統(tǒng)
所有的CPU均包含用于保存系統(tǒng)狀態(tài)和處理器所需信息的寄存器組。如果虛擬機(jī)定義較多的寄存器，便可以從中得到更多的信息而不必對(duì)?；騼?nèi)存進(jìn)行訪問(wèn)，這有利于提高運(yùn)行速度。然而，如果虛擬機(jī)中的寄存器比實(shí)際C PU的寄存器多，在實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)時(shí)就會(huì)占用處理器大量的時(shí)間來(lái)用常規(guī)存儲(chǔ)器模擬寄存器，這反而會(huì)降低虛擬機(jī)的效率。針對(duì)這種情況，JV M只設(shè)置了4個(gè)最為常用的寄存器。它們是：
pc程序計(jì)數(shù)器
optop操作數(shù)棧頂指針
frame當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境指針
vars指向當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境中第一個(gè)局部變量的指針
所有寄存器均為32位。pc用于記錄程序的執(zhí)行。optop,frame和vars用于記錄指向Java棧區(qū)的指針。
2.3JVM棧結(jié)構(gòu)
作為基于棧結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，Java棧是JVM存儲(chǔ)信息的主要方法。當(dāng)JVM得到一個(gè)Java字節(jié)碼應(yīng)用程序后，便為該代碼中一個(gè)類的每一個(gè)方法創(chuàng)建一個(gè)?？蚣?，以保存該方法的狀態(tài)信息。每個(gè)棧框架包括以下三類信息：
局部變量
執(zhí)行環(huán)境
操作數(shù)棧
局部變量用于存儲(chǔ)一個(gè)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(gè)局部變量。
執(zhí)行環(huán)境用于保存解釋器對(duì)Java字節(jié)碼進(jìn)行解釋過(guò)程中所需的信息。它們是：上次調(diào)用的方法、局部變量指針和操作數(shù)棧的棧頂和棧底指針。執(zhí)行環(huán)境是一個(gè)執(zhí)行一個(gè)方法的控制中心。例如：如果解釋器要執(zhí)行i add(整數(shù)加法)，首先要從frame寄存器中找到當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境，而后便從執(zhí)行環(huán)境中找到操作數(shù)棧，從棧頂彈出兩個(gè)整數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，最后將結(jié)果壓入棧頂。
操作數(shù)棧用于存儲(chǔ)運(yùn)算所需操作數(shù)及運(yùn)算的結(jié)果。
2.4JVM碎片回收堆
Java類的實(shí)例所需的存儲(chǔ)空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔(dān)為類實(shí)例分配空間的工作。解釋器在為一個(gè)實(shí)例分配完存儲(chǔ)空間后，便開始記錄對(duì)該實(shí)例所占用的內(nèi)存區(qū)域的使用。一旦對(duì)象使用完畢，便將其回收到堆中。
在Java語(yǔ)言中，除了new語(yǔ)句外沒(méi)有其他方法為一對(duì)象申請(qǐng)和釋放內(nèi)存。對(duì)內(nèi)存進(jìn)行釋放和回收的工作是由Java運(yùn)行系統(tǒng)承擔(dān)的。這允許J ava運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者自己決定碎片回收的方法。在SUN公司開發(fā)的Java解釋器和Hot Java環(huán)境中，碎片回收用后臺(tái)線程的方式來(lái)執(zhí)行。這不但為運(yùn)行系統(tǒng)提供了良好的性能，而且使程序設(shè)計(jì)人員擺脫了自己控制內(nèi)存使用的風(fēng)險(xiǎn)。
2.5JVM存儲(chǔ)區(qū)
JVM有兩類存儲(chǔ)區(qū)：常量緩沖池和方法區(qū)。常量緩沖池用于存儲(chǔ)類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區(qū)則用于存儲(chǔ)Java方法的字節(jié)碼。對(duì)于這兩種存儲(chǔ)區(qū)域具體實(shí)現(xiàn)方式在J VM規(guī)格中沒(méi)有明確規(guī)定。這使得Java應(yīng)用程序的存儲(chǔ)布局必須在運(yùn)行過(guò)程中確定，依賴于具體平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方式。
JVM是為Java字節(jié)碼定義的一種獨(dú)立于具體平臺(tái)的規(guī)格描述，是Java平臺(tái)獨(dú)立性的基礎(chǔ)。目前的JVM還存在一些限制和不足，有待于進(jìn)一步的完善，但無(wú)論如何，J VM的思想是成功的。
對(duì)比分析：如果把Java原程序想象成我們的C++原程序，Java原程序編譯后生成的字節(jié)碼就相當(dāng)于C++原程序編譯后的80x86的機(jī)器碼（二進(jìn)制程序文件），J VM虛擬機(jī)相當(dāng)于80x86計(jì)算機(jī)系統(tǒng),Java解釋器相當(dāng)于80x86CPU。在80x86CPU上運(yùn)行的是機(jī)器碼，在Java解釋器上運(yùn)行的是Java字節(jié)碼。
Java解釋器相當(dāng)于運(yùn)行Java字節(jié)碼的“CPU”,但該“CPU”不是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的，而是用軟件實(shí)現(xiàn)的。Java解釋器實(shí)際上就是特定的平臺(tái)下的一個(gè)應(yīng)用程序。只要實(shí)現(xiàn)了特定平臺(tái)下的解釋器程序，J ava字節(jié)碼就能通過(guò)解釋器程序在該平臺(tái)下運(yùn)行，這是Java跨平臺(tái)的根本。當(dāng)前，并不是在所有的平臺(tái)下都有相應(yīng)Java解釋器程序，這也是J ava并不能在所有的平臺(tái)下都能運(yùn)行的原因，它只能在已實(shí)現(xiàn)了Java解釋器程序的平臺(tái)下運(yùn)行
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