JVM与Java体系结构

一、前言:

Java语言和JVM简介:

Java是目前最为广泛的软件开发平台之一。

JVM:跨语言的平台

随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。 Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的，它只关心“字节码”文件。也就是说Java虚拟机拥有语言无关性，并不会单纯地与Java语言“终身绑定”，只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。

字节码:

Java字节码指的是用java语言编译成的字节码，准确的说任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的，所以应该统称为jvm字节码。不同的编译器可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的JVM上运行。Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，至于特定的二进制文件——Class文件格式有所关联。Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号表，还有一些其他的辅助信息

虚拟机与JVM介绍:

所谓虚拟机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。大体上虚拟计算机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令成为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。

Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成。JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性。优秀的垃圾回收器以及可靠的即时编译器。Java技术的核心就是Java虚拟机，因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。

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/编译为对应平台上机器指令执行。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，例如怎么去操作数、怎么处理操作数以及处理结果放在哪里等。特点包括一次编译、到处运行、自动管理内存以及自动垃圾回收功能

JVM的位置:

JVM整体结构:

HotSpot VM是市面上高性能虚拟机的代表作之一，它采用解释器与即时编译器并存的架构

Java代码的执行流程:

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。

两种架构之间的区别:

1.基于栈式架构的特点:

(1).设计和实现更简单，适用于资源受限的系统;

(2).避开了寄存器的分配难题:使用零地址指令方式分配。

(3).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。

(4).不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

2.基于寄存器架构的特点:

(1).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。

(2).指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差

(3).性能优秀和执行更高效;

(4).花费更少的指令去完成一项操作。

(5).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vin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。

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。

JVM的生命周期:

1.虚拟机的启动:

Java虚拟机的启动时通过引导类加载器创建的一个初始类来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的

2.虚拟机的执行

(1).一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务:执行Java程序

(2).程序开始执行时才运行，程序结束时才停止

(3).执行一个所谓的Java程序时，真正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程

3.虚拟机的退出:

有以下的几种情况Java虚拟机会退出:

(1).程序正常结束

(2).程序在执行过程中遇到了异常或错误导致异常终止

(3).由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

(4).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

(5).除此之外，JNI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

JVM的发展历程:

1.Sun Classic VM:

早在1996年Java1.0版本的时候，sun公司发布了一款名为Sunclassic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时完全被淘汰;

这款虚拟机内部只提供解释器;

如果使用JIT编译器，就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和编译器不能配合工作;

现在hotspot内置了此虚拟机

2.Exact VM:

Exact Memory Management:准确式内存管理，也可以叫做Non-Conservative/Accurate Memory Management；虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型

具备现代高性能虚拟机的雏形:热点探测、编译器与解释器混合工作模式

只在solaris平台短暂使用，其他平台上还是classic vm

3.HotSpot VM:

不管是现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中默认的虚拟机都是Hotspot

Sun/oracle JDK和OpenJDK的默认虚拟机

通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换

通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡