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眾所周知，Java源代碼被編譯器編譯成class文件。而并不是底層操作系統(tǒng)可以直接執(zhí)行的二進(jìn)制指令(比如Windows OS的.exe文件)。因此，我們需要有一種平臺(tái)可以解釋class文件并運(yùn)行它。而做到這一點(diǎn)的正是Java 虛擬機(jī)(JVM)。
實(shí)際上，JVM是一種解釋執(zhí)行class文件的規(guī)范技術(shù)。各 個(gè)提 供商都可以根據(jù)規(guī)范，在不同的底層平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同的JVM。
下面是JVM實(shí)現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)框圖。其中類(lèi)裝載子系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎等 是JVM的必須要解決的幾大問(wèn)題。
 ★ 類(lèi)裝載器子系統(tǒng) 字段名 字段的類(lèi)型 字段的修飾符(public, private, protected, static, final, volatile, transient的某個(gè)子集) ●方法信息。和字段一樣保存方法的相關(guān)信息。 方法名 方法的返回類(lèi)型 方法的參數(shù)的數(shù)量和類(lèi)型 方法的修飾符 方法的字節(jié)碼 操作數(shù)棧和棧幀中局部變量的大小 (見(jiàn)下面Java棧的內(nèi)容) 異常表
(2) 堆 Java 程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的所有類(lèi)型對(duì)象和數(shù)組都存儲(chǔ)在堆中。JVM會(huì)根據(jù)new指令在堆中開(kāi)辟一個(gè)確定類(lèi)型的對(duì)象內(nèi)存空間。但是堆中開(kāi)辟對(duì)象的空間并沒(méi)有任何 人工 指令可以回收，而是通過(guò)JVM的垃圾回收器負(fù)責(zé)回收。
堆中對(duì)象存儲(chǔ)的是該對(duì)象以及對(duì)象所有超類(lèi)的實(shí)例數(shù)據(jù)(但不是靜態(tài)數(shù)據(jù))， 比如下面的類(lèi)型： class X{ private int data; private static int stcdata=0;
public X(int d){ this.data=d; } } X x1=new X(100); X x2=new X(200); 這樣在堆中開(kāi)辟了兩個(gè)對(duì)象x1和x2的內(nèi)存空間。其中x1中的一個(gè)實(shí)例數(shù)據(jù)data=100，而x2的data=200。但是這兩個(gè)對(duì)象中都沒(méi)有stcdata這樣的數(shù)據(jù)，這個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上面講到的方法區(qū)中。
此外，堆中對(duì)象還必須有指向方法區(qū)中的類(lèi)信息數(shù)據(jù)(見(jiàn)上面方法區(qū))。 為什么需要這個(gè)信息呢？因?yàn)楫?dāng)程序在運(yùn)行時(shí)需要對(duì)象轉(zhuǎn)型，那么JVM必須檢查當(dāng)前對(duì)象所屬類(lèi)型及父類(lèi)的信息。以判斷轉(zhuǎn)型是否是合法的，而這一點(diǎn)也是instanceof操作符實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。
當(dāng)然，上述只是JVM的規(guī)范，具體堆的實(shí)現(xiàn)是由JVM設(shè)計(jì)者來(lái)決定。下面兩幅圖就直觀的表現(xiàn)出了堆對(duì)象的不同實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)：
其中一個(gè)對(duì)象的引用可能在整個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中的很多地方存在，比如Java棧，堆，方法區(qū)等。
堆中對(duì)象還應(yīng)該關(guān)聯(lián)一個(gè)對(duì)象的鎖數(shù)據(jù)信息以及線(xiàn)程的等待集合。 這些都是實(shí)現(xiàn)Java線(xiàn)程同步機(jī)制的基礎(chǔ)。但實(shí)際上很多具體實(shí)現(xiàn)中并不在對(duì)象自身內(nèi)部保存一個(gè)指向鎖數(shù)據(jù)的指針。而只有當(dāng)?shù)谝淮涡枰渔i的時(shí)候才分配對(duì)應(yīng)鎖數(shù)據(jù)。另外，每個(gè)對(duì)象都會(huì)從Object中繼承三個(gè)Object方法(wait、notify、notifyAll)，當(dāng)某個(gè)線(xiàn)程在一個(gè)對(duì)象上調(diào)用了等待方法時(shí)。JVM就會(huì)阻塞這個(gè)線(xiàn)程，并把這個(gè)線(xiàn)程放在該對(duì)象的等待集合中。知道另外一個(gè)線(xiàn)程在該對(duì)象上調(diào)用了notify/notifyAll，JVM才會(huì)在等待集合中喚醒一個(gè)或全部的等待線(xiàn)程(參見(jiàn)《正確理解線(xiàn)程等待和釋放(wait/notify)》)。
【數(shù)組對(duì)象】 在Java中，數(shù)組也是對(duì)象，那么自然在堆中會(huì)存儲(chǔ)數(shù)組的信息。事實(shí)也確實(shí)如此，對(duì)于JVM而言，數(shù)組與其他類(lèi)對(duì)象沒(méi)有任何區(qū)別。 數(shù)組也有屬于的類(lèi)Class，具有相同維度和類(lèi)型的數(shù)組都是同一個(gè)類(lèi)的實(shí)例，而不管數(shù)組的長(zhǎng)度是多少。 數(shù)組類(lèi)的名稱(chēng)由兩部分構(gòu)成：(1)每一維用一個(gè)方括號(hào)“[”表示。(2) 用字符或字符串表示元素類(lèi)型。比如一維數(shù)組對(duì)象int[] a所屬類(lèi)型名為"[I"，二維數(shù)組對(duì)象byte[] b所屬類(lèi)型名為"[[B"。 下圖是二維數(shù)組對(duì)象在堆中的具體實(shí)現(xiàn)方式：
(3) 程序計(jì)數(shù)器
對(duì)于一個(gè)運(yùn)行的Java而言，每一個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)PC寄存器。當(dāng)線(xiàn)程執(zhí)行Java程序時(shí)，PC寄存器的內(nèi)容總是下一條將被執(zhí)行的指令地址。
(4) Java棧 - 棧幀
每啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程，JVM都會(huì)為它分配一個(gè)Java棧，用于存放方法中的局部變量，操作數(shù)以及異常數(shù)據(jù)等。當(dāng)線(xiàn)程調(diào)用某個(gè)方法時(shí)，JVM會(huì)根據(jù)方法區(qū)中該方法的字節(jié)碼組建一個(gè)棧幀。并將該棧幀壓入Java棧中，方法執(zhí)行完畢時(shí)，JVM會(huì)彈出該棧幀并釋放掉。 注意，Java棧中的數(shù)據(jù)是線(xiàn)程私有的，一個(gè)線(xiàn)程是無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)另一個(gè)線(xiàn)程的Java棧的數(shù)據(jù)。這也就是為什么多線(xiàn)程編程時(shí)，兩個(gè)相同線(xiàn)程執(zhí)行同一方法時(shí)，對(duì)方法內(nèi)的局部變量時(shí)不需要數(shù)據(jù)同步的原因。
【棧幀 】 棧幀有三部分構(gòu)成：局部變量區(qū)、操作數(shù)棧和幀數(shù)據(jù)區(qū)。在編譯器編譯Java代碼時(shí)，就已經(jīng)在字節(jié)碼中為每個(gè)方法都設(shè)置好了局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的數(shù)據(jù)和大小。并在JVM首次加載方法所屬的Class文件時(shí)，就將這些數(shù)據(jù)放進(jìn)了方法區(qū)。因此在線(xiàn)程調(diào)用方法時(shí)，只需要根據(jù)方法區(qū)中的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小來(lái)分配一個(gè)新的棧幀的內(nèi)存大小，并堆入Java棧。
局部變量區(qū)： 用來(lái)存放方法中的所有局部變量值，包括傳遞的參數(shù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)被組織成以一個(gè)字長(zhǎng)(32bit或64bit)為單位的數(shù)組結(jié)構(gòu)(以索引0開(kāi)始)中。其中類(lèi)型為int, float, reference(引用類(lèi)型，記錄對(duì)象在堆中地址)和returnAddress(一種JVM內(nèi)部使用的基本類(lèi)型)的值占用1個(gè)字長(zhǎng)，而byte, char和shot會(huì)擴(kuò)大成1個(gè)字長(zhǎng)存儲(chǔ)，long，double則使用2個(gè)字長(zhǎng)。
操作數(shù)棧： 用來(lái)在執(zhí)行指令的時(shí)候存儲(chǔ)和使用中間結(jié)果數(shù)據(jù)。
幀數(shù)據(jù)區(qū)： 常量池的解析，正常方法返回以及異常派發(fā)機(jī)制的信息數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在其中。
下圖展示了addAndPrint()調(diào)用addTwoTypes()時(shí)，Java棧的變化：
★ 執(zhí)行引擎 運(yùn)行Java的每一個(gè)線(xiàn)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(xiàn)程生命周期的開(kāi)始到結(jié)束，他要么在執(zhí)行字節(jié)碼，要么在執(zhí)行本地方法。一個(gè)線(xiàn)程可能通過(guò)解釋或者使用芯片級(jí)指令直接執(zhí)行字節(jié)碼，或者間接通過(guò)JIT執(zhí)行編譯過(guò)的本地代碼。
指令集： 實(shí)際上，Class文件中方法的字節(jié)碼流就是有JVM的指令序列構(gòu)成的。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)。
Java虛擬機(jī)指令集關(guān)注的中心是操作數(shù)棧和局部變量集合。我們可以看看下面一組指令在執(zhí)行引擎中執(zhí)行的過(guò)程：
很顯然，上面的指令反復(fù)用到了Java棧中的某一個(gè)方法棧幀。實(shí)際上執(zhí)行引擎運(yùn)行Java字節(jié)碼指令很多時(shí)候都是在不停的操作Java棧，也有的時(shí)候需要在堆中開(kāi)辟對(duì)象以及運(yùn)行系統(tǒng)的本地指令等。但是Java棧的操作要比堆中的操作要快的多，因此反復(fù)開(kāi)辟對(duì)象是非常耗時(shí)的。這也是為什么Java程序優(yōu)化的時(shí)候，盡量減少new對(duì)象。
下面將會(huì)是很有趣的過(guò)程，我們用一段代碼來(lái)生動(dòng)的展現(xiàn)JVM是如何運(yùn)行這段程序的。
通過(guò)編譯器將下面的代碼編譯成edu/hr/jvm/Test.class 和 edu/hr/jvm/bean/Act.class。然后開(kāi)始啟動(dòng)JVM：
(5) JVM加載進(jìn)Act.class，并提取Act類(lèi)信息 放入方法區(qū)中。見(jiàn)上圖方法區(qū)所示，然后以一個(gè)直接指向方法區(qū)Act類(lèi)信息的直接引用替換開(kāi)始在常量池中的符號(hào)引用"Act"，這個(gè)過(guò)程就是常量池解析 。以后就可以直接訪(fǎng)問(wèn)Act的類(lèi)信息了。
(6) 此時(shí)JVM可以根據(jù)方法區(qū)中的Act類(lèi)信息，在堆中開(kāi)辟一個(gè)Act類(lèi)對(duì)象 act。見(jiàn)上圖堆所示。
(7) 接著開(kāi)始執(zhí)行main方法中的第二條指令調(diào)用doMathForever。這個(gè)可以通過(guò)堆中act對(duì)象所指的方法表 中查找，然后定位到方法區(qū)中的Act類(lèi)信息中的doMathForever方法字節(jié)碼。在運(yùn)行之前，仍然要組建一個(gè)doMathForever棧幀壓入Java棧，如上圖所示。(注意：JVM會(huì)根據(jù)方法區(qū)中doMathForever的字節(jié)碼來(lái)創(chuàng)建棧幀的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小)
● 下面運(yùn)行每一條指令后，看一下局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的變化： ① 指令[iconst_0] 將int類(lèi)型變量的數(shù)據(jù)0壓入操作數(shù)棧。 局部變量區(qū) 操作數(shù)棧 index hex value value offset hex value value (變量i) 0 0 00000000 0 optop-> 1 ② 指令[istore_0] 彈出操作數(shù)棧頂?shù)臄?shù)據(jù)0，將結(jié)果存儲(chǔ)在局部變量區(qū)中index=0的空間中。 局部變量區(qū) 操作數(shù)棧 index hex value value offset hex value value (變量i) 0 00000000 0 optop-> 0 1 ③指令[iinc 0 1] 把常量值1加到局部變量區(qū)中index=0的空間上。 局部變量區(qū) 操作數(shù)棧 index hex value value offset hex value value (變量i) 0 00000001 1 optop-> 0 1 ④指令[iload_0] 把局部變量區(qū)index=0中的數(shù)據(jù)堆入操作數(shù)棧。 局部變量區(qū) 操作數(shù)棧 index hex value value offset hex value value (變量i) 0 00000001 1 0 00000001 1 optop-> 1 ⑤指令[iconst_2] 把int類(lèi)型變量的數(shù)據(jù)2壓入操作數(shù)棧。 局部變量區(qū) 操作數(shù)棧 index hex value value offset hex value value (變量i) 0 00000001 1 0 00000001 1 1 00000002 2 optop-> ⑥指令[imul] 彈出操作數(shù)棧中的兩個(gè)數(shù)據(jù)1和2，相乘之后的結(jié)果2堆入操作數(shù)棧 局部變量區(qū) 操作數(shù)棧 index hex value value offset hex value value (變量i) 0 00000001 1 optop-> 0 00000002 2 1 ⑦指令[istore_0] 彈出操作數(shù)棧頂?shù)臄?shù)據(jù)2，將結(jié)果存儲(chǔ)在局部變量區(qū)中index=0的空間中。 局部變量區(qū) 操作數(shù)棧 index hex value value offset hex value value (變量i) 0 00000002 2 optop-> 0 1 ⑧指令[goto 2] 跳轉(zhuǎn)到指令iinc 0 1處循環(huán)執(zhí)行下去.....
當(dāng)然，這個(gè)例子不停的執(zhí)行下去只會(huì)出現(xiàn)算術(shù)溢出，也就是一個(gè)字長(zhǎng)(2bytes)的整型變量i 無(wú)法表示不停計(jì)算的結(jié)果了。但是JVM不會(huì)拋出任何異常，
附：在《深入Java虛擬機(jī)》一書(shū)第5章節(jié)有一個(gè)JVM模擬運(yùn)行上面程序的源代碼和applet展示，做的很不錯(cuò)。下面是這本書(shū)的配到源代碼，大家可以學(xué)習(xí)一下。 |
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