从零开始学习JVM--初识Java虚拟机

news2024/10/6 5:53:29

1 虚拟机与Java虚拟机

1.1 基本介绍

所谓虚拟机（Virtual Machine）。就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

系统虚拟机：完全对物理计算机的仿真，提供了一个供运行完整操作系统的软件平台。像Visual Box，VMware就属于系统虚拟机。
程序虚拟机：专门为执行单个计算机程序而设计，程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机。在Java虚拟机中执行的指令我们称之为Java字节码指令。

无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

1.2 Java虚拟机

Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境。负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。从Java代码的执行过程来看JVM的作用。如图所示：
在这里插入图片描述

JVM的特点：

一次编译，到处运行
自动内存管理
自动垃圾回收功能

2 JVM的整体结构

在这里插入图片描述

各个结构的主要作用简要介绍：

类加载子系统：类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载 class 文件，class 文件在文件开头有特定的文件标识。
运行时数据区：运行时数据区包括：程序计数器(PC寄存器)、Java虚拟机栈、Java堆、方法区、运行时常量池、本地方法栈等。
执行引擎：执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
本地方法接口：本地方法接口就是提供Java 调用非 Java 代码的接口。本地方法是非Java语言实现的,例如 C /C++。本地方法负责与外部(计算机硬件)进行数据交互。

3 JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。具体来说，这两种架构之间的区别：

基于栈式架构的特点

● 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统
● 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配
● 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现
● 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

基于寄存器架构的特点

● 典型的应用是x86的二进制指令集：比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机
● 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差
● 性能优秀和执行更高效
● 花费更少的指令去完成一项操作
● 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

总结
由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？

4 JVM的生命周期

4.1 虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

4.2 虚拟机的执行

● 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。
● 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。
● 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。

4.3 虚拟机的退出

虚拟机的退出有如下的几种情况：

● 程序正常执行结束
● 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
● 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
● 某线程调用Runtime类或system类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作。
● 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载 Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。