張孝祥 http://www.it315.org

　　JVM(JAVA虛擬機(jī)介紹)

　　Java虛擬機(jī)(JVM)是可運(yùn)行Java代碼的假想計算機(jī)。只要根據(jù)JVM規(guī)格描述將解釋器移植到特定的計算機(jī)上，就能保證經(jīng)過編譯的任何Java代碼能夠在該系統(tǒng)上運(yùn)行。本文首先簡要介紹從Java文件的編譯到最終執(zhí)行的過程，隨后對JVM規(guī)格描述作一說明。

　　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。這一編譯過程同C/C++的編譯有些不同。當(dāng)C編譯器編譯生成一個對象的代碼時，該代碼是為在某一特定硬件平臺運(yùn)行而產(chǎn)生的。因此，在編譯過程中，編譯程序通過查表將所有對符號的引用轉(zhuǎn)換為特定的內(nèi)存偏移量，以保證程序運(yùn)行。Java編譯器卻不將對變量和方法的引用編譯為數(shù)值引用，也不確定程序執(zhí)行過程中的內(nèi)存布局，而是將這些符號引用信息保留在字節(jié)碼中，由解釋器在運(yùn)行過程中創(chuàng)立內(nèi)存布局，然后再通過查表來確定一個方法所在的地址。這樣就有效的保證了Java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完成的。解釋執(zhí)行過程分三部進(jìn)行：代碼的裝入、代碼的校驗和代碼的執(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)類裝載器裝入一個類時，該類被放在自己的名字空間中。除了通過符號引用自己名字空間以外的類，類之間沒有其他辦法可以影響其他類。在本臺計算機(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，都有一個自己獨(dú)立的名字空間。這使得本地類通過共享相同的名字空間獲得較高的運(yùn)行效率，同時又保證它們與從外部引進(jìn)的類不會相互影響。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可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局。解釋器為符號引用同特定的地址空間建立對應(yīng)關(guān)系及查詢表。通過在這一階段確定代碼的內(nèi)存布局，Java很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問題，同時也防止了代碼對地址的非法訪問。 
隨后，被裝入的代碼由字節(jié)碼校驗器進(jìn)行檢查。校驗器可發(fā)現(xiàn)操作數(shù)棧溢出，非法數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化等多種錯誤。通過校驗后，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：解釋器通過每次解釋并執(zhí)行一小段代碼來完成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。對于那些對運(yùn)行速度要求較高的應(yīng)用程序，解釋器可將Java字節(jié)碼即時編譯為機(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)計目標(biāo)是提供一個基于抽象規(guī)格描述的計算機(jī)模型，為解釋程序開發(fā)人員提很好的靈活性，同時也確保Java代碼可在符合該規(guī)范的任何系統(tǒng)上運(yùn)行。JVM對其實現(xiàn)的某些方面給出了具體的定義，特別是對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)的語法和數(shù)值、標(biāo)識符的數(shù)值表示方式、以及Java類文件中的Java對象、常量緩沖池在JVM的存儲映象。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)計者希望給開發(fā)人員以隨心所欲使用Java的自由。 
　　JVM定義了控制Java代碼解釋執(zhí)行和具體實現(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存儲區(qū) 
　　2.1JVM指令系統(tǒng) 
JVM指令系統(tǒng)同其他計算機(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的形式進(jìn)行說明），如iload表示從存儲器中裝入一個整數(shù)，anewarray表示為一個新數(shù)組分配空間，iand表示兩個整數(shù)的"與"，ret用于流程控制，表示從對某一方法的調(diào)用中返回。當(dāng)長度大于8位時，操作數(shù)被分為兩個以上字節(jié)存放。JVM采用了"big endian"的編碼方式來處理這種情況，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語言的實現(xiàn)為目的設(shè)計的，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位操作碼的長度使得JVM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棧或內(nèi)存進(jìn)行訪問，這有利于提高運(yùn)行速度。然而，如果虛擬機(jī)中的寄存器比實際CPU的寄存器多，在實現(xiàn)虛擬機(jī)時就會占用處理器大量的時間來用常規(guī)存儲器模擬寄存器，這反而會降低虛擬機(jī)的效率。針對這種情況，JVM只設(shè)置了4個最為常用的寄存器。它們是： 
　　pc程序計數(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)的計算機(jī)，Java棧是JVM存儲信息的主要方法。當(dāng)JVM得到一個Java字節(jié)碼應(yīng)用程序后，便為該代碼中一個類的每一個方法創(chuàng)建一個棧框架，以保存該方法的狀態(tài)信息。每個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(zhí)行環(huán)境用于保存解釋器對Java字節(jié)碼進(jìn)行解釋過程中所需的信息。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)境是一個執(zhí)行一個方法的控制中心。例如：如果解釋器要執(zhí)行iadd(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類的實例所需的存儲空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔(dān)為類實例分配空間的工作。解釋器在為一個實例分配完存儲空間后，便開始記錄對該實例所占用的內(nèi)存區(qū)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語句外沒有其他方法為一對象申請和釋放內(nèi)存。對內(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Java運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計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，碎片回收用后臺線程的方式來執(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)計人員擺脫了自己控制內(nèi)存使用的風(fēng)險。 
　　2.5JVM存儲區(qū) 
JVM有兩類存儲區(qū)：常量緩沖池和方法區(qū)。常量緩沖池用于存儲類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區(qū)則用于存儲Java方法的字節(jié)碼。對于這兩種存儲區(qū)域具體實現(xiàn)方式在JVM規(guī)格中沒有明確規(guī)定。這使得Java應(yīng)用程序的存儲布局必須在運(yùn)行過程中確定，依賴于具體平臺的實現(xiàn)方式。 
　　JVM是為Java字節(jié)碼定義的一種獨(dú)立于具體平臺的規(guī)格描述，是Java平臺獨(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，但無論如何，JVM的思想是成功的。

　　對比分析：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），JVM虛擬機(jī)相當(dāng)于80x86計算機(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”不是通過硬件實現(xiàn)的，而是用軟件實現(xiàn)的。Java解釋器實際上就是特定的平臺下的一個應(yīng)用程序。只要實現(xiàn)了特定平臺下的解釋器程序，Java字節(jié)碼就能通過解釋器程序在該平臺下運(yùn)行，這是Java跨平臺的根本。當(dāng)前，并不是在所有的平臺下都有相應(yīng)Java解釋器程序，這也是Java并不能在所有的平臺下都能運(yùn)行的原因，它只能在已實現(xiàn)了Java解釋器程序的平臺下運(yùn)行。