java虛拟機:抽象化的計算機-中文百科頻道

主要功能

規格參數

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定義

Java虛拟機（Java Virtual Machine 簡稱JVM），是運行所有Java程序的抽象計算機，是Java語言的運行環境，它是Java 最具吸引力的特性之一。對Java感興趣，想學習Java不知道怎麼學，從事java工作的人，想認識學習java，可以加群，群号四一八三，五五五，加上三一，按順序組合，裡面有免費資料。

簡介

Java虛拟機（JVM）一種用于計算機設備的規範，可用不同的方式（軟件或硬件）加以實現。編譯虛拟機的指令集與編譯微處理器的指令集非常類似。Java虛拟機包括一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域。

Java虛拟機（JVM）是可運行Java代碼的假想計算機。隻要根據JVM規格描述将解釋器移植到特定的計算機上，就能保證經過編譯的任何Java代碼能夠在該系統上運行。

Java虛拟機是一個想象中的機器，在實際的計算機上通過軟件模拟來實現。Java虛拟機有自己想象中的硬件，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應的指令系統。

Java虛拟機規範定義了一個抽象的——而非實際的——機器或處理器。這個規範描述了一個指令集，一組寄存器，一個堆棧，一個“垃圾堆”，和一個方法區。一旦一個Java虛拟機在給定的平台上運行，任何Java程序（編譯之後的程序，稱作字節碼）都能在這個平台上運行。Java虛拟機（JVM）可以以一次一條指令的方式來解釋字節碼（把它映射到實際的處理器指令），或者字節碼也可以由實際處理器中稱作just-in-time的編譯器進行進一步的編譯。

特點

Java語言的一個非常重要的特點就是與平台的無關性。而使用Java虛拟機是實現這一特點的關鍵。一般的高級語言如果要在不同的平台上運行，至少需要編譯成不同的目标代碼。而引入Java語言虛拟機後，Java語言在不同平台上運行時不需要重新編譯。Java語言使用模式Java虛拟機屏蔽了與具體平台相關的信息，使得Java語言編譯程序隻需生成在Java虛拟機上運行的目标代碼（字節碼），就可以在多種平台上不加修改地運行。Java虛拟機在執行字節碼時，把字節碼解釋成具體平台上的機器指令執行。

使用主體

Java虛拟機是Java語言底層實現的基礎。這有助于理解Java語言的一些性質，也有助于使用Java語言。對于要在特定平台上實現Java虛拟機的軟件人員，Java語言的編譯器作者以及要用硬件芯片實現Java虛拟機的人來說，則必須深刻理解Java虛拟機的規範。另外，如果你想擴展Java語言，或是把其它語言編譯成Java語言的字節碼，你也需要深入地了解Java虛拟機。

安裝方法

下載解壓：

下載j2sdk-1_4_2_05-linux-i586.bin随便放到一個目錄裡，比如/tmp。

在終端裡輸入：shj2sdk-1_4_2_05-linux-i586.bin回車

之後會出現一堆軟件說明，按回車n次直到問你yesorno，當然回答yes，輸入y，回車後開始解壓縮。

完成之後，在/tmp裡就會出現一個名為j2sdk1.4.2_05的文件夾。

安裝：

安裝很簡單：将j2sdk1.4.2_05文件夾複制到/usr目錄裡。

設置環境變量：

隻有設置好環境變量，系統才能調用java虛拟環境

打開/etc/profile文件，在相關位置中加入：

exportJAVA_HOME=/usr/j2sdk1.4.2_05

exportPATH=/usr/j2sdk1.4.2_05/bin:$PATH

exportCLASSPATH=/usr/j2sdk1.4.2_05/lib:/usr/j2sdk1.4.2_05/jre/lib:.:

保存

設置中文字體：

注意：下面涉及到的文件請先備份，以防萬一！

進入/usr/j2sdk1.4.2_05/jre/lib/文件夾

删除裡面所有帶.zn的文檔，隻留下font.properties.zh文檔。

安裝simsun字體如果不喜歡simsun可以不裝。

編輯font.properties.zh，将所有-tlc-song-medium-r-normal--*-%d-*-*-c-*-gbk-0替換成：

-misc-simsun-medium-r-normal--*-%d-*-*-c-*-gbk-0（如果沒裝simsun字體，可以将-simsun-那裡改成你喜歡的字體，前提是該字體在系統中存在）

之後在終端中轉到目錄/usr/j2sdk1.4.2_05/jre/bin/下

輸入命令：

./ControlPanel回車

數據類型

Java虛拟機支持Java語言的基本數據類型有8種，注意String不是基本數據類型如下：

boolean://1字節有符号整數的補碼

byte://1字節有符号整數的補碼

short://2字節有符号整數的補碼

int://4字節有符号整數的補碼

long://8字節有符号整數的補碼

float://4字節IEEE754單精度浮點數

double://8字節IEEE754雙精度浮點數

char://2字節無符号Unicode字符

幾乎所有的Java類型檢查都是在編譯時完成的。上面列出的原始數據類型的數據在Java執行時不需要用硬件标記。操作這些原始數據類型數據的字節碼（指令）本身就已經指出了操作數的數據類型，例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把兩個數相加，其操作數類型别是int、long、float和double。虛拟機沒有給boolean（布爾）類型設置單獨的指令。boolean型的數據是由integer指令，包括integer返回來處理的。boolean型的數組則是用byte數組來處理的。虛拟機使用IEEE754格式的浮點數。不支持IEEE格式的較舊的計算機，在運行Java數值計算程序時，可能會非常慢。

虛拟機支持的其它數據類型包括：

object//對一個Javaobject（對象）的4字節引用

returnAddress//4字節，用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

注：Java數組被當作object處理。

虛拟機的規範對于object内部的結構沒有任何特殊的要求。在Sun公司的實現中，對object的引用是一個句柄，其中包含一對指針：一個指針指向該object的方法表，另一個指向該object的數據。用Java虛拟機的字節碼表示的程序應該遵守類型規定。Java虛拟機的實現應拒絕執行違反了類型規定的字節碼程序。Java虛拟機由于字節碼定義的限制似乎隻能運行于32位地址空間的機器上。但是可以創建一個Java虛拟機，它自動地把字節碼轉換成64位的形式。從Java虛拟機支持的數據類型可以看出，Java對數據類型的内部格式進行了嚴格規定，這樣使得各種Java虛拟機的實現對數據的解釋是相同的，從而保證了Java的與平台無關性和可移植性。

規格描述

JVM的設計目标是提供一個基于抽象規格描述的計算機模型，為解釋程序開發人員提範的任何系統上運行。JVM對其實現的某些方面給出了具體的定義，特别是對Java可執行代碼，即字節碼（Bytecode）的格式給出了明确的規格。這一規格包括操作碼和操作數的語法和數值、标識符的數值表示方式、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解釋器開發人員提供了所需的信息和開發環境。Java的設計者希望給開發人員以随心所欲使用Java的自由。

JVM定義了控制Java代碼解釋執行和具體實現的五種規格，它們是：

*JVM指令系統

*JVM寄存器

*JVM棧結構

*JVM碎片回收堆

*JVM存儲區

JVM指令系統

JVM指令系統同其他計算機的指令系統極其相似。Java指令也是由操作碼和操作數兩部分組成。操作碼為8位二進制數，操作數進緊随在操作碼的後面，其長度根據需要而不同。操作碼用于指定一條指令操作的性質（在這裡我們采用彙編符号的形式進行說明），如iload表示從存儲器中裝入一個整數，anewarray表示為一個新數組分配空間，iand表示兩個整數的"與"，ret用于流程控制，表示從對某一方法的調用中返回。當長度大于8位時，操作數被分為兩個以上字節存放。JVM采用了"bigendian"的編碼方式來處理這種情況，即高位bits存放在低字節中。這同Motorola及其他的RISCCPU采用的編碼方式是一緻的，而與Intel采用的"littleendian"的編碼方式即低位bits存放在低位字節的方法不同。Java指令系統是以Java語言的實現為目的設計的，其中包含了用于調用方法和監視多線程系統的指令。Java的8位操作碼的長度使得JVM最多有256種指令，java1.6及以上版本已使用了160多種操作碼。

JVM寄存器

所有的CPU均包含用于保存系統狀态和處理器所需信息的寄存器組。如果虛拟機定義較多的寄存器，便可以從中得到更多的信息而不必對棧或内存進行訪問，這有利于提高運行速度。然而，如果虛拟機中的寄存器比實際CPU的寄存器多，在實現虛拟機時就會占用處理器大量的時間來用常規存儲器模拟寄存器，這反而會降低虛拟機的效率。針對這種情況，JVM隻設置了4個最為常用的寄存器。它們是：pc程序計數器optop操作數棧頂指針frame當前執行環境指針vars指向當前執行環境中第一個局部變量的指針所有寄存器均為32位。pc用于記錄程序的執行。optop,frame和vars用于記錄指向Java棧區的指針。

JVM棧結構

作為基于棧結構的計算機，Java棧是JVM存儲信息的主要方法。當JVM得到一個Java字節碼應用程序後，便為該代碼中一個類的每一個方法創建一個棧框架，以保存該方法的狀态信息。每個棧框架包括以下三類信息：局部變量執行環境操作數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。

執行環境用于保存解釋器對Java字節碼進行解釋過程中所需的信息。它們是：上次調用的方法、局部變量指針和操作數棧的棧頂和棧底指針。執行環境是一個執行一個方法的控制中心。例如：如果解釋器要執行iadd（整數加法），首先要從frame寄存器中找到當前執行環境，而後便從執行環境中找到操作數棧，從棧頂彈出兩個整數進行加法運算，最後将結果壓入棧頂。

操作數棧用于存儲運算所需操作數及運算的結果。

JVM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後，便開始記錄對該實例所占用的内存區域的使用。一旦對象使用完畢，便将其回收到堆中。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内存。對内存進行釋放和回收的工作是由Java運行系統承擔的。這允許Java運行系統的設計者自己決定碎片回收的方法。在SUN公司開發的Java解釋器和HotJava環境中，碎片回收用後台線程的方式來執行。這不但為運行系統提供了良好的性能，而且使程序設計人員擺脫了自己控制内存使用的風險。

JVM存儲區

JVM有兩類存儲區：常量緩沖池和方法區。常量緩沖池用于存儲類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區則用于存儲Java方法的字節碼。對于這兩種存儲區域具體實現方式在JVM規格中沒有明确規定。這使得Java應用程序的存儲布局必須在運行過程中确定，依賴于具體平台的實現方式。JVM是為Java字節碼定義的一種獨立于具體平台的規格描述，是Java平台獨立性的基礎。盡管JVM還存在一些限制和不足，有待于進一步的完善，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原程序編譯後生成的字節碼就相當于C++原程序編譯後的80x86的機器碼（二進制程序文件），JVM虛拟機相當于80x86計算機系統,Java解釋器相當于80x86CPU。在80x86CPU上運行的是機器碼，在Java解釋器上運行的是Java字節碼。

Java解釋器相當于運行Java字節碼的“CPU”，但該“CPU”不是通過硬件實現的，而是用軟件實現的。Java解釋器實際上就是特定的平台下的一個應用程序。隻要實現了特定平台下的解釋器程序，Java字節碼就能通過解釋器程序在該平台下運行，這是Java跨平台的根本。當前，并不是在所有的平台下都有相應Java解釋器程序，這也是Java并不能在所有的平台下都能運行的原因，它隻能在已實現了Java解釋器程序的平台下運行。

體系結構

Java虛拟機由五個部分組成：一組指令集、一組寄存器、一個棧、一個無用單元收集堆(Garbage-collected-heap）、一個方法區域。這五部分是Java虛拟機的邏輯成份，不依賴任何實現技術或組織方式，但它們的功能必須在真實機器上以某種方式實現。

Java指令集

Java虛拟機支持大約248個字節碼。每個字節碼執行一種基本的CPU運算，例如，把一個整數加到寄存器，子程序轉移等。Java指令集相當于Java程序的彙編語言。

Java指令集中的指令包含一個單字節的操作符，用于指定要執行的操作，還有0個或多個操作數，提供操作所需的參數或數據。許多指令沒有操作數，僅由一個單字節的操作符構成。

虛拟機的内層循環的執行過程如下：

do{

取一個操作符字節；

根據操作符的值執行一個動作；

}while（程序未結束）

由于指令系統的簡單性，使得虛拟機執行的過程十分簡單，從而有利于提高執行的效率。指令中操作數的數量和大小是由操作符決定的。如果操作數比一個字節大，那麼它存儲的順序是高位字節優先。例如，一個16位的參數存放時占用兩個字節，其值為：

第一個字節*256+第二個字節字節碼指令流一般隻是字節對齊的。指令tabltch和lookup是例外，在這兩條指令内部要求強制的4字節邊界對齊。

寄存器

Java虛拟機的寄存器用于保存機器的運行狀态，與微處理器中的某些專用寄存器類似。

Java虛拟機的寄存器有四種：

pc:Java程序計數器。

optop：指向操作數棧頂端的指針。

frame：指向當前執行方法的執行環境的指針。

vars：指向當前執行方法的局部變量區第一個變量的指針。

棧

Java虛拟機的棧有三個區域：局部變量區、運行環境區、操作數區。

⑴局部變量區每個Java方法使用一個固定大小的局部變量集。它們按照與vars寄存器的字偏移量來尋址。局部變量都是32位的。長整數和雙精度浮點數占據了兩個局部變量的空間，卻按照第一個局部變量的索引來尋址。（例如，一個具有索引n的局部變量，如果是一個雙精度浮點數，那麼它實際占據了索引n和n+1所代表的存儲空間。）虛拟機規範并不要求在局部變量中的64位的值是64位對齊的。虛拟機提供了把局部變量中的值裝載到操作數棧的指令，也提供了把操作數棧中的值寫入局部變量的指令。

⑵運行環境區在運行環境中包含的信息用于動态鍊接，正常的方法返回以及異常傳播。

·動态鍊接

運行環境包括對指向當前類和當前方法的解釋器符号表的指針，用于支持方法代碼的動态鍊接。方法的class文件代碼在引用要調用的方法和要訪問的變量時使用符号。動态鍊接把符号形式的方法調用翻譯成實際方法調用，裝載必要的類以解釋還沒有定義的符号，并把變量訪問翻譯成與這些變量運行時的存儲結構相應的偏移地址。動态鍊接方法和變量使得方法中使用的其它類的變化不會影響到本程序的代碼。

·正常的方法返回

如果當前方法正常地結束了，在執行了一條具有正确類型的返回指令時，調用的方法會得到一個返回值。執行環境在正常返回的情況下用于恢複調用者的寄存器，并把調用者的程序計數器增加一個恰當的數值，以跳過已執行過的方法調用指令，然後在調用者的執行環境中繼續執行下去。

·異常和錯誤傳播

異常情況在Java中被稱作Error（錯誤）或Exception（異常）,是Throwable類的子類，在程序中的原因是：①動态鍊接錯，如無法找到所需的class文件。②運行時錯，如對一個空指針的引用

·程序使用了throw語句。

當異常發生時，Java虛拟機采取如下措施：

·檢查與當前方法相聯系的catch子句表。每個catch子句包含其有效指令範圍，能夠處理的異常類型，以及處理異常的代碼塊地址。

·與異常相匹配的catch子句應該符合下面的條件：造成異常的指令在其指令範圍之内，發生的異常類型是其能處理的異常類型的子類型。如果找到了匹配的catch子句，那麼系統轉移到指定的異常處理塊處執行；如果沒有找到異常處理塊，重複尋找匹配的catch子句的過程，直到當前方法的所有嵌套的catch子句都被檢查過。

·由于虛拟機從第一個匹配的catch子句處繼續執行，所以catch子句表中的順序是很重要的。因為Java代碼是結構化的，因此總可以把某個方法的所有的異常處理器都按序排列到一個表中，對任意可能的程序計數器的值，都可以用線性的順序找到合适的異常處理塊，以處理在該程序計數器值下發生的異常情況。

·如果找不到匹配的catch子句，那麼當前方法得到一個"未截獲異常"的結果并返回到當前方法的調用者，好像異常剛剛在其調用者中發生一樣。如果在調用者中仍然沒有找到相應的異常處理塊，那麼這種錯誤傳播将被繼續下去。如果錯誤被傳播到最頂層，那麼系統将調用一個缺省的異常處理塊。

⑶操作數棧區機器指令隻從操作數棧中取操作數，對它們進行操作，并把結果返回到棧中。選擇棧結構的原因是：在隻有少量寄存器或非通用寄存器的機器（如Intel486）上，也能夠高效地模拟虛拟機的行為。操作數棧是32位的。它用于給方法傳遞參數，并從方法接收結果，也用于支持操作的參數，并保存操作的結果。例如，iadd指令将兩個整數相加。相加的兩個整數應該是操作數棧頂的兩個字。這兩個字是由先前的指令壓進堆棧的。這兩個整數将從堆棧彈出、相加，并把結果壓回到操作數棧中。

每個原始數據類型都有專門的指令對它們進行必須的操作。每個操作數在棧中需要一個存儲位置，除了long和double型，它們需要兩個位置。操作數隻能被适用于其類型的操作符所操作。例如，壓入兩個int類型的數，如果把它們當作是一個long類型的數則是非法的。在Sun的虛拟機實現中,這個限制由字節碼驗證器強制實行。但是，有少數操作（操作符dupe和swap），用于對運行時數據區進行操作時是不考慮類型的。

無用單元收集堆

Java的堆是一個運行時數據區，類的實例（對象）從中分配空間。Java語言具有無用單元收集能力：它不給程序員顯式釋放對象的能力。Java不規定具體使用的無用單元收集算法，可以根據系統的需求使用各種各樣的算法。

方法區

方法區與傳統語言中的編譯後代碼或是Unix進程中的正文段類似。它保存方法代碼（編譯後的java代碼）和符号表。在當前的Java實現中，方法代碼不包括在無用單元收集堆中，但計劃在将來的版本中實現。每個類文件包含了一個Java類或一個Java界面的編譯後的代碼。可以說類文件是Java語言的執行代碼文件。為了保證類文件的平台無關性，Java虛拟機規範中對類文件的格式也作了詳細的說明。其具體細節請參考Sun公司的Java虛拟機規範。

運行過程

上面對虛拟機的各個部分進行了比較詳細的說明，下面通過一個具體的例子來分析它的運行過程。

虛拟機通過調用某個指定類的方法main啟動，傳遞給main一個字符串數組參數，使指定的類被裝載，同時鍊接該類所使用的其它的類型，并且初始化它們。例如對于程序：

publicclassHelloApp{

publicstaticvoidmain(String[]args){

System.out.println("HelloWorld!");

for(inti=0;i

System.out.println(args);

}

編譯後在命令行模式下鍵入：javaHelloApprunvirtualmachine

将通過調用HelloApp的方法main來啟動java虛拟機，傳遞給main一個包含三個字符串"run"、"virtual"、"machine"的數組。現在我們略述虛拟機在執行HelloApp時可能采取的步驟。

開始試圖執行類HelloApp的main方法，發現該類并沒有被裝載，也就是說虛拟機當前不包含該類的二進制代表，于是虛拟機使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進制代表。如果這個進程失敗，則抛出一個異常。類被裝載後同時在main方法被調用之前，必須對類HelloApp與其它類型進行鍊接然後初始化。鍊接包含三個階段：檢驗，準備和解析。檢驗檢查被裝載的主類的符号和語義，準備則創建類或接口的靜态域以及把這些域初始化為标準的默認值，解析負責檢查主類對其它類或接口的符号引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對類中聲明的靜态初始化函數和靜态域的初始化構造方法的執行。一個類在初始化之前它的父類必須被初始化。整個過程如下：