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1概述

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眾所周知，Java支持平臺(tái)無(wú)關(guān)性、安全性和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性。而Java平臺(tái)由Java虛擬機(jī)和Java核心類所構(gòu)成，它為純Java程序提供了統(tǒng)一的編程接口，而不管下層操作系統(tǒng)是什么。正是得益于Java虛擬機(jī)，它號(hào)稱的“一次編譯，到處運(yùn)行”才能有所保障。

1.1Java程序執(zhí)行流程

Java程序的執(zhí)行依賴于編譯環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。源碼代碼轉(zhuǎn)變成可執(zhí)行的機(jī)器代碼，由下面的流程完成：

Java技術(shù)的核心就是Java虛擬機(jī)，因?yàn)樗械腏ava程序都在虛擬機(jī)上運(yùn)行。Java程序的運(yùn)行需要Java虛擬機(jī)、Java API和Java Class文件的配合。Java虛擬機(jī)實(shí)例負(fù)責(zé)運(yùn)行一個(gè)Java程序。當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)Java程序時(shí)，一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例就誕生了。當(dāng)程序結(jié)束，這個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例也就消亡。

Java的跨平臺(tái)特性，因?yàn)樗嗅槍?duì)不同平臺(tái)的虛擬機(jī)。

1.2Java虛擬機(jī)

Java虛擬機(jī)的主要任務(wù)是裝載class文件并且執(zhí)行其中的字節(jié)碼。由下圖可以看出，Java虛擬機(jī)包含一個(gè)類裝載器（classloader），它可以從程序和API中裝載class文件，JavaAPI中只有程序執(zhí)行時(shí)需要的類才會(huì)被裝載，字節(jié)碼由執(zhí)行引擎來執(zhí)行。

當(dāng)Java虛擬機(jī)由主機(jī)操作系統(tǒng)上的軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，Java程序通過調(diào)用本地方法和主機(jī)進(jìn)行交互。Java方法由Java語(yǔ)言編寫，編譯成字節(jié)碼，存儲(chǔ)在class文件中。本地方法由C/C++/匯編語(yǔ)言編寫，編譯成和處理器相關(guān)的機(jī)器代碼，存儲(chǔ)在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中，格式是各個(gè)平臺(tái)專有。所以本地方法是聯(lián)系Java程序和底層主機(jī)操作系統(tǒng)的連接方式。

由于Java虛擬機(jī)并不知道某個(gè)class文件是如何被創(chuàng)建的，是否被篡改一無(wú)所知，所以它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)class文件檢測(cè)器，確保class文件中定義的類型可以安全地使用。class文件檢驗(yàn)器通過四趟獨(dú)立的掃描來保證程序的健壯性：

·class文件的結(jié)構(gòu)檢查

·類型數(shù)據(jù)的語(yǔ)義檢查

·字節(jié)碼驗(yàn)證

·符號(hào)引用驗(yàn)證

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)還進(jìn)行其它的一些內(nèi)置的安全機(jī)制的操作，他們作為Java編程語(yǔ)言保證Java程序健壯性的特性，同時(shí)也是Java虛擬機(jī)的特性：

·類型安全的引用轉(zhuǎn)換

·結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存訪問

·自動(dòng)垃圾收集

·數(shù)組邊界檢查

·空引用檢查

1.3Java虛擬機(jī)數(shù)據(jù)類型

Java虛擬機(jī)通過某些數(shù)據(jù)類型來執(zhí)行計(jì)算。數(shù)據(jù)類型可以分為兩種：基本類型和引用類型，如下圖：

但boolean有點(diǎn)特別，當(dāng)編譯器把Java源碼編譯為字節(jié)碼時(shí)，它會(huì)用int或byte表示boolean。在Java虛擬機(jī)中，false是由0表示，而true則由所有非零整數(shù)表示。和Java語(yǔ)言一樣，Java虛擬機(jī)的基本類型的值域在任何地方都是一致的，不管主機(jī)平臺(tái)是什么，一個(gè)long在任何虛擬機(jī)中總是一個(gè)64位二進(jìn)制補(bǔ)碼的有符號(hào)整數(shù)。

對(duì)于returnAddress，這個(gè)基本類型被用來實(shí)現(xiàn)Java程序中的finally子句，Java程序員不能使用這個(gè)類型，它的值指向一條虛擬機(jī)指令的操作碼。

2體系結(jié)構(gòu)

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例的行為是分別按照子系統(tǒng)、內(nèi)存區(qū)、數(shù)據(jù)類型和指令來描述的，這些組成部分一起展示了抽象的虛擬機(jī)的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)。

2.1class文件

Javaclass文件包含了關(guān)于類或接口的所有信息。class文件的“基本類型”如下：

如果想了解更多，Oracle的JVM SE7給出了官方規(guī)范：The Java® Virtual Machine Specification

class文件包含的內(nèi)容：

ClassFile {

 u4 magic;          //魔數(shù)：0xCAFEBABE，用來判斷是否是Java class文件
 u2 minor_version;        //次版本號(hào)
 u2 major_version;        //主版本號(hào)
 u2 constant_pool_count;      //常量池大小
 cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //常量池
 u2 access_flags;        //類和接口層次的訪問標(biāo)志（通過|運(yùn)算得到）
 u2 this_class;        //類索引（指向常量池中的類常量）
 u2 super_class;        //父類索引（指向常量池中的類常量）
 u2 interfaces_count;       //接口索引計(jì)數(shù)器
 u2 interfaces[interfaces_count];    //接口索引集合
 u2 fields_count;        //字段數(shù)量計(jì)數(shù)器
 field_info fields[fields_count];    //字段表集合
 u2 methods_count;        //方法數(shù)量計(jì)數(shù)器
 method_info methods[methods_count];   //方法表集合
 u2 attributes_count;       //屬性個(gè)數(shù)
 attribute_info attributes[attributes_count]; //屬性表

}

2.2 類裝載器子系統(tǒng)

類裝載器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)查找并裝載類型信息。其實(shí)Java虛擬機(jī)有兩種類裝載器：系統(tǒng)裝載器和用戶自定義裝載器。前者是Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的一部分，后者則是Java程序的一部分。

·啟動(dòng)類裝載器（bootstrapclassloader）：它用來加載Java的核心庫(kù)，是用原生代碼來實(shí)現(xiàn)的，并不繼承自java.lang.ClassLoader。

·擴(kuò)展類裝載器（extensionsclassloader）：它用來加載Java的擴(kuò)展庫(kù)。Java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)會(huì)提供一個(gè)擴(kuò)展庫(kù)目錄。該類加載器在此目錄里面查找并加載Java類。

·應(yīng)用程序類裝載器（applicationclassloader）：它根據(jù)Java應(yīng)用的類路徑（CLASSPATH）來加載Java類。一般來說，Java應(yīng)用的類都是由它來完成加載的。可以通過ClassLoader.getSystemClassLoader()來獲取它。

除了系統(tǒng)提供的類裝載器以外，開發(fā)人員可以通過繼承java.lang.ClassLoader類的方式實(shí)現(xiàn)自己的類裝載器，以滿足一些特殊的需求。

類裝載器子系統(tǒng)涉及Java虛擬機(jī)的其它幾個(gè)組成部分以及來自java.lang庫(kù)的類。ClassLoader定義的方法為程序提供了訪問類裝載器機(jī)制的接口。此外，對(duì)于每一個(gè)被裝載的類型，Java虛擬機(jī)都會(huì)為它創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的實(shí)例來代表該類型。和其它對(duì)象一樣，用戶自定義的類裝載器以及Class類的實(shí)例放在內(nèi)存中的堆區(qū)，而裝載的類型信息則位于方法區(qū)。

類裝載器子系統(tǒng)除了要定位和導(dǎo)入二進(jìn)制class文件外，還必須負(fù)責(zé)驗(yàn)證被導(dǎo)入類的正確性，為類變量分配并初始化內(nèi)存，以及解析符號(hào)引用。這些動(dòng)作還需要按照以下順序進(jìn)行：

·裝載（查找并裝載類型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)）

·連接（執(zhí)行驗(yàn)證：確保被導(dǎo)入類型的正確性；準(zhǔn)備：為類變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值；解析：把類型中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用）

·初始化（類變量初始化為正確初始值）

2.3方法區(qū)

在Java虛擬機(jī)中，關(guān)于被裝載的類型信息存儲(chǔ)在一個(gè)方法區(qū)的內(nèi)存中。當(dāng)虛擬機(jī)裝載某個(gè)類型時(shí)，它使用類裝載器定位相應(yīng)的class文件，然后讀入這個(gè)class文件并將它傳輸?shù)教摂M機(jī)中，接著虛擬機(jī)提取其中的類型信息，并將這些信息存儲(chǔ)到方法區(qū)。方法區(qū)也可以被垃圾回收器收集，因?yàn)樘摂M機(jī)允許通過用戶定義的類裝載器來動(dòng)態(tài)擴(kuò)展Java程序。

方法區(qū)中存放了以下信息：

·這個(gè)類型的全限定名（如全限定名java.lang.Object）

·這個(gè)類型的直接超類的全限定名

·這個(gè)類型是類類型還是接口類型

·這個(gè)類型的訪問修飾符（public,abstract,final的某個(gè)子集）

·任何直接超接口的全限定名的有序列表

·該類型的常量池（一個(gè)有序集合，包括直接常量[string,integer和floatingpoint常量]和對(duì)其它類型、字段和方法的符號(hào)引用）

·字段信息（字段名、類型、修飾符）

·方法信息（方法名、返回類型、參數(shù)數(shù)量和類型、修飾符）

·除了常量以外的所有類（靜態(tài)）變量

·指向ClassLoader類的引用（每個(gè)類型被裝載時(shí)，虛擬機(jī)必須跟蹤它是由啟動(dòng)類裝載器還是由用戶自定義類裝載器裝載的）

·指向Class類的引用（對(duì)于每一個(gè)被裝載的類型，虛擬機(jī)相應(yīng)地為它創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的實(shí)例。比如你有一個(gè)到j(luò)ava.lang.Integer類的對(duì)象的引用，那么只需要調(diào)用Integer對(duì)象引用的getClass()方法，就可以得到表示java.lang.Integer類的Class對(duì)象）

2.4堆

Java程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的所有類實(shí)例或數(shù)組（數(shù)組在Java虛擬機(jī)中是一個(gè)真正的對(duì)象）都放在同一個(gè)堆中。由于Java虛擬機(jī)實(shí)例只有一個(gè)堆空間，所以所有線程都將共享這個(gè)堆。需要注意的是，Java虛擬機(jī)有一條在堆中分配對(duì)象的指令，卻沒有釋放內(nèi)存的指令，因?yàn)樘摂M機(jī)把這個(gè)任務(wù)交給垃圾收集器處理。Java虛擬機(jī)規(guī)范并沒有強(qiáng)制規(guī)定垃圾收集器，它只要求虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)必須“以某種方式”管理自己的堆空間。比如某個(gè)實(shí)現(xiàn)可能只有固定大小的堆空間，當(dāng)空間填滿，它就簡(jiǎn)單拋出OutOfMemory異常，根本不考慮回收垃圾對(duì)象的問題，但卻是符合規(guī)范的。

Java虛擬機(jī)規(guī)范并沒有規(guī)定Java對(duì)象在堆中如何表示，這給虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)者決定怎么設(shè)計(jì)。一個(gè)可能的堆設(shè)計(jì)如下：

一個(gè)句柄池，一個(gè)對(duì)象池。一個(gè)對(duì)象的引用就是一個(gè)指向句柄池的本地指針。這種設(shè)計(jì)的好處有利于堆碎片的整理，當(dāng)移動(dòng)對(duì)象池中的對(duì)象時(shí)，句柄部分只需更改一下指針指向?qū)ο蟮男碌刂芳纯伞Ｈ秉c(diǎn)是每次訪問對(duì)象的實(shí)例變量都要經(jīng)過兩次指針傳遞。

2.5Java棧

每當(dāng)啟動(dòng)給一個(gè)線程時(shí)，Java虛擬機(jī)會(huì)為它分配一個(gè)Java棧。Java棧由許多棧幀組成，一個(gè)棧幀包含一個(gè)Java方法調(diào)用的狀態(tài)。當(dāng)線程調(diào)用一個(gè)Java方法時(shí)，虛擬機(jī)壓入一個(gè)新的棧幀到該線程的Java棧中，當(dāng)該方法返回時(shí)，這個(gè)棧幀就從Java棧中彈出。Java棧存儲(chǔ)線程中Java方法調(diào)用的狀態(tài)--包括局部變量、參數(shù)、返回值以及運(yùn)算的中間結(jié)果等。Java虛擬機(jī)沒有寄存器，其指令集使用Java棧來存儲(chǔ)中間數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)的原因是為了保持Java虛擬機(jī)的指令集盡量緊湊，同時(shí)也便于Java虛擬機(jī)在只有很少通用寄存器的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。另外，基于棧的體系結(jié)構(gòu)，也有助于運(yùn)行時(shí)某些虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)編譯器和即時(shí)編譯器的代碼優(yōu)化。

2.5.1棧幀

棧幀由局部變量區(qū)、操作數(shù)棧和幀數(shù)據(jù)區(qū)組成。當(dāng)虛擬機(jī)調(diào)用一個(gè)Java方法時(shí)，它從對(duì)應(yīng)類的類型信息中得到此方法的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小，并根據(jù)此分配棧幀內(nèi)存，然后壓入Java棧中。

2.5.1.1局部變量區(qū)

局部變量區(qū)被組織為以字長(zhǎng)為單位、從0開始計(jì)數(shù)的數(shù)組。字節(jié)碼指令通過從0開始的索引使用其中的數(shù)據(jù)。類型為int,float,reference和returnAddress的值在數(shù)組中占據(jù)一項(xiàng)，而類型為byte,short和char的值在存入數(shù)組前都被轉(zhuǎn)換為int值，也占據(jù)一項(xiàng)。但類型為long和double的值在數(shù)組中卻占據(jù)連續(xù)的兩項(xiàng)。

2.5.1.2操作數(shù)棧

和局部變量區(qū)一樣，操作數(shù)棧也是被組織成一個(gè)以字長(zhǎng)為單位的數(shù)組。它通過標(biāo)準(zhǔn)的棧操作訪問--壓棧和出棧。由于程序計(jì)數(shù)器無(wú)法被程序指令直接訪問，Java虛擬機(jī)的指令是從操作數(shù)棧中取得操作數(shù)，所以它的運(yùn)行方式是基于棧而不是基于寄存器。虛擬機(jī)把操作數(shù)棧作為它的工作區(qū)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)指令都要從這里彈出數(shù)據(jù)，執(zhí)行運(yùn)算，然后把結(jié)果壓回操作數(shù)棧。

2.5.1.3幀數(shù)據(jù)區(qū)

除了局部變量區(qū)和操作數(shù)棧，Java棧幀還需要幀數(shù)據(jù)區(qū)來支持常量池解析、正常方法返回以及異常派發(fā)機(jī)制。每當(dāng)虛擬機(jī)要執(zhí)行某個(gè)需要用到常量池?cái)?shù)據(jù)的指令時(shí)，它會(huì)通過幀數(shù)據(jù)區(qū)中指向常量池的指針來訪問它。除了常量池的解析外，幀數(shù)據(jù)區(qū)還要幫助虛擬機(jī)處理Java方法的正常結(jié)束或異常中止。如果通過return正常結(jié)束，虛擬機(jī)必須恢復(fù)發(fā)起調(diào)用的方法的棧幀，包括設(shè)置程序計(jì)數(shù)器指向發(fā)起調(diào)用方法的下一個(gè)指令；如果方法有返回值，虛擬機(jī)需要將它壓入到發(fā)起調(diào)用的方法的操作數(shù)棧。為了處理Java方法執(zhí)行期間的異常退出情況，幀數(shù)據(jù)區(qū)還保存一個(gè)對(duì)此方法異常表的引用。

2.6程序計(jì)數(shù)器

對(duì)于一個(gè)運(yùn)行中的Java程序而言，每一個(gè)線程都有它的程序計(jì)數(shù)器。程序計(jì)數(shù)器也叫PC寄存器。程序計(jì)數(shù)器既能持有一個(gè)本地指針，也能持有一個(gè)returnAddress。當(dāng)線程執(zhí)行某個(gè)Java方法時(shí)，程序計(jì)數(shù)器的值總是下一條被執(zhí)行指令的地址。這里的地址可以是一個(gè)本地指針，也可以是方法字節(jié)碼中相對(duì)該方法起始指令的偏移量。如果該線程正在執(zhí)行一個(gè)本地方法，那么此時(shí)程序計(jì)數(shù)器的值是“undefined”。

2.7本地方法棧

任何本地方法接口都會(huì)使用某種本地方法棧。當(dāng)線程調(diào)用Java方法時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的棧幀并壓入Java棧。當(dāng)它調(diào)用的是本地方法時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)保持Java棧不變，不再在線程的Java棧中壓入新的棧，虛擬機(jī)只是簡(jiǎn)單地動(dòng)態(tài)連接并直接調(diào)用指定的本地方法。

其中方法區(qū)和堆由該虛擬機(jī)實(shí)例中所有線程共享。當(dāng)虛擬機(jī)裝載一個(gè)class文件時(shí)，它會(huì)從這個(gè)class文件包含的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中解析類型信息，然后把這些類型信息放到方法區(qū)。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)把所有該程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的對(duì)象放到堆中。

像其它運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)一樣，本地方法棧占用的內(nèi)存區(qū)可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)展或收縮。

3執(zhí)行引擎

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，執(zhí)行引擎的行為使用指令集定義。實(shí)現(xiàn)執(zhí)行引擎的設(shè)計(jì)者將決定如何執(zhí)行字節(jié)碼，實(shí)現(xiàn)可以采取解釋、即時(shí)編譯或直接使用芯片上的指令執(zhí)行，還可以是它們的混合。

執(zhí)行引擎可以理解成一個(gè)抽象的規(guī)范、一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)或一個(gè)正在運(yùn)行的實(shí)例。抽象規(guī)范使用指令集規(guī)定了執(zhí)行引擎的行為。具體實(shí)現(xiàn)可能使用多種不同的技術(shù)--包括軟件方面、硬件方面或樹種技術(shù)的結(jié)合。作為運(yùn)行時(shí)實(shí)例的執(zhí)行引擎就是一個(gè)線程。

運(yùn)行中Java程序的每一個(gè)線程都是一個(gè)獨(dú)立的虛擬機(jī)執(zhí)行引擎的實(shí)例。從線程生命周期的開始到結(jié)束，它要么在執(zhí)行字節(jié)碼，要么執(zhí)行本地方法。

3.1指令集

方法的字節(jié)碼流由Java虛擬機(jī)的指令序列構(gòu)成。每一條指令包含一個(gè)單字節(jié)的操作碼，后面跟隨0個(gè)或多個(gè)操作數(shù)。操作碼表示需要執(zhí)行的操作；操作數(shù)向Java虛擬機(jī)提供執(zhí)行操作碼需要的額外信息。當(dāng)虛擬機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)，可能使用當(dāng)前常量池中的項(xiàng)、當(dāng)前幀的局部變量中的值或者位于當(dāng)前幀操作數(shù)棧頂端的值。

抽象的執(zhí)行引擎每次執(zhí)行一條字節(jié)碼指令。Java虛擬機(jī)中運(yùn)行的程序的每個(gè)線程（執(zhí)行引擎實(shí)例）都執(zhí)行這個(gè)操作。執(zhí)行引擎取得操作碼，如果操作碼有操作數(shù)，就取得它的操作數(shù)。它執(zhí)行操作碼和跟隨的操作數(shù)規(guī)定的動(dòng)作，然后再取得下一個(gè)操作碼。這個(gè)執(zhí)行字節(jié)碼的過程在線程完成前將一直持續(xù)，通過從它的初始方法返回，或者沒有捕獲拋出的異常都可以標(biāo)志著線程的完成。

4本地方法接口

Java本地接口，也叫JNI（JavaNativeInterface），是為可移植性準(zhǔn)備的。本地方法接口允許本地方法完成以下工作：

傳遞或返回?cái)?shù)據(jù)

操作實(shí)例變量

操作類變量或調(diào)用類方法

操作數(shù)組

對(duì)堆的對(duì)象加鎖

裝載新的類

拋出異常

捕獲本地方法調(diào)用Java方法拋出的異常

捕獲虛擬機(jī)拋出的異步異常

指示垃圾收集器某個(gè)對(duì)象不再需要

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于深入理解Java虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站其他相關(guān)專題，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對(duì)本站的支持！