class java 虚拟机 java虚拟机详解

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mob64ca140d96d9 2023-09-28 13:08:16

文章标签 class java 虚拟机 java 虚拟机 jvm 多线程 文章分类 Java 后端开发

Java的运行原理、Java虚拟机是怎么工作的，本文将详细讲解（JVM）Java 虚拟机。

在Java中引入了虚拟机的概念，即在机器和编译程序之间加入了一层抽象的虚拟的机器。这台虚拟的机器在任何平台上都提供给编译程序一个的共同的接口。编译程序只需要面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。在Java中，这种供虚拟机理解的代码叫做字节码（ByteCode），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。每一种平台的解释器是不同的，但是实现的虚拟机是相同的。Java源程序经过编译器编译后变成字节码，字节码由虚拟机解释执行，虚拟机将每一条要执行的字节码送给解释器，解释器将其翻译成特定机器上的机器码，然后在特定的机器上运行。

可以说，Java虚拟机是Java语言的基础。它是Java技术的重要组成部分。Java虚拟机是一个抽象的计算机，和实际的计算机一样，它具有一个指令集并使用不同的存储区域。它负责执行指令，还要管理数据、内存和寄存器。Java解释器负责将字节代码翻译成特定机器的机器代码。Java是一种简单的语言。它用到的概念不多，而且多为程序员所熟悉。如果你是一名程序员，掌握Java对你来说是易如反掌的事。即使你没有学过任何编程语言，学习Java也要比学习C++要容易的多。

由于Java最初是为控制电子产品设计的，因此它必须简单明了。为了保证这种简单性，Java去掉了C++中许多复杂的、冗余的、有二义性的概念，例如操作符重载、多继承、数据类型自动转换等。为了将程序员从复杂的内存管理的负担中解脱出来，同时也是为了减少错误，Java使用了自动内存垃圾收集机制，程序员只要在需要的时候申请即可，不需要释放,而由Java自己来收集、释放内存中的无用的块。

与C++相比，Java有着更强的面向对象特性，是一种比较纯粹的面向对象语言。一般我们使用的一些所谓的面向对象的编程语言，如C++，Object Pascal等，实际上都是一种混合型的语言，即在过程式的语言中加上面向对象的扩展。在Java中，几乎万物皆对象，就连一些基本数据类型，如整型、字符型、浮点型等，在Java中都可以作为对象处理。Java的面向对象特性几乎可以与Smalltalk媲美，但是其适用于分布式计算环境的特性却远远超过了Smalltalk。

Java是一种支持分布式操作的程序设计语言。使用Java提供的URL类，用户可以象访问本地文件一样访问网络上的对象，使用非常方便。在客户机/服务器的模式下，Java还可以将运算从服务器端分散到客户端，提高系统的效率，避免了服务器的瓶颈制约。Java的网络类库支持分布式的编程。Socket类提供可靠的流式网络的连接，支持TCP/IP协议。通过编写协议句柄，程序员还可以扩充Java支持的协议集合。

Java提供非常有效的安全控制。由于Java应用于网络程序的开发，因而安全性变的至关重要。因为Java小程序需要下载到客户端解释执行，所以，如果没有安全控制，就会给一些网络黑客以可乘之机，这对用户来说是非常危险的。所幸的是，Java的安全机制可以有效的防止病毒程序的产生、下载程序对本地文件系统的破坏，以及网络黑客窃取密码和入侵。

Java是一种非常健壮的语言。因为在Java中使用了以下手段：

不支持指针。在C++程序中，指针的错误使用通常的程序中BUG的元凶。在Java中彻底去掉了指针，杜绝了内存的非法访问，从而保证了程序的可靠性。

强类型语言

自动内存垃圾收集机制。Java自动收集无用的内存单元，进而防止了由于内存泄漏导致的动态内存分配问题。

完善的异常处理机制，既简化了错误处理任务和恢复，也增加了程序的可读性。

Java具有非常好的平台无关性和可移植性。因为Java最初是为对电子产品编程而设计的，所以它具有完美的平台无关性。它使用一种与平台无关的代码──字节码，而不是通常的特定机器上的机器码，由平台上的Java虚拟机中的Java解释器解释执行。Java虚拟机是免费的，在许多平台上都有。

Java提供了良好的可移植性。使用Java作为编程语言，只要进行一次程序开发工作，所开发的程序不需要经过任何改动，便能在各种平台上运行。Java使用两种方法使Java的应用程序不依赖与具体的系统：

采用基于国际标准的数据类型。Java的原始数据类型在任何机器上都是一样的，例如整型总是32位，长整型总是64位等。

提供了一个用于访问底层操作系统功能的可扩展类库。

Java是一种高性能的语言。“鱼与熊掌不可兼得”，通常，健壮性、安全性、平台无关性、可移植性等方面的提高总是要以牺牲性能为代价的。Java也不例外，Java的内存管理增加了运行时系统的复杂性，因为Java运行时系统必须内嵌一个内存管理模块；同样，Java程序的解释执行的效率也要低于直接执行编译后的源码的效率。但是Java采用了一些很好的措施来弥补这些性能上的差距：

生成高效的字节码。Java字节码的设计充分考虑了性能的因素，字节码的格式简单，解释器可以生成高效的机器码。

提供了即时编译和嵌入C代码的可选措施。即时编译是指在运行时把字节码编译成机器码。支持多线程。Java提供了对多线程的语言级的接口，而且Java环境本身就是多线程的。

Java对多线程有良好的支持。多线程技术可以提高程序执行的并发度，提高图形用户界面的交互性能。Java提供了语言内置的多线程控制，简化了多线程应用程序的开发，还支持线程的同步控制。

Java是一种动态的语言。动态特性是面向对象特性的一个延伸，它使得程序能够适应不断变化的执行环境。Java的动态性主要表现在以下几个方面：

Java的类有运行时的表示，这样，即使在运行时刻，程序也能辨别类之间的关系和类型信息，可以动态的从本地或网上把一个类链接到运行系统中去。

Java的类在运行过程中动态的装载，因此，Java可以在分布式的环境中动态的维护应用程序和Java类库之间的一致性。当类库升级后，应用程序无需重新编译，也一样可以利用新类库中新增的功能。

支持动态数据类型和动态协议。通过编写协议句柄，Java可以支持新的、自定义的传输协议，编写内容句柄，可以支持新的数据类型。

九、PC寄存器（程序计数器）（The Program Counter）

每一个线程开始执行时都会被创建一个程序计数器。程序计数器只有一个字长（word），所以它能够保存一个本地指针和returnValue。当线程执行时，程序计数器中存放了正在执行指令的地址，这个地址可以使一个本地指针，也可以使一个从方法字节码开始的偏移指针。如果执行本地方法，程序计数器的值没有被定义。

十、Java堆栈（The Java Stack）

     当一个线程启动时，Java虚拟机会为他创建一个Java堆栈。Java堆栈用一些离散的frame类纪录线程的状态。Java虚拟机堆Java堆栈的操作只有两种：压入和弹出frames。
     线程中正在执行的方法被称为当前方法（current method），当前方法所对应的frame被称为当前帧（current frame）。定义当前方法的类被称为当前类（current class），当前类的常量池被称为当前常量池（current constant pool.）。当线程执行时，Java虚拟机会跟踪当前类和当前常量池。但线程操作保存在帧中的数据时，他只操作当前帧的数据。
     当线程调用一个方法时，虚拟机会生成一个新的帧，并压入线程的Java堆栈。这个新的帧变成当前帧。当方法执行时，他使用当前帧保存方法的参数、本地变量、中间结构和其他数据。方法有两种退出方式：正常退出和异常推出。无论方法以哪一种方式推出，Java虚拟机都会弹出并丢弃方法的帧，上一个方法的帧变为当前帧。
     所有保存在帧中的数据都只能被拥有它的线程访问，线程不能访问其他线程的堆栈中的数据。所以，访问方法的本地变量时，不需要考虑多线程同步。
     和方法区、堆一样，Java堆栈不需要连续的内存空间，它可以被保存在一个分散的内存空间或者堆上。堆栈具体的数据和长度都有Java虚拟机的实现者自己定义。一些实现可能提供了执行堆栈最大值和最小值的方法。

十一、堆栈帧（The Stack Frame）

     堆栈帧包含三部分：本地变量、操作数堆栈和帧数据。本地变量和操作数堆栈的大小都是一字（word）为单位的，他们在编译就已经确定。帧数据的大小取决于不同的实现。当程序调用一个方法时，虚拟机从类数据中取得本地变量和操作数堆栈的大小，创建一个合适大小和帧，然后压入Java堆栈中。
     1、本地变量（Local Variables）
     本地变量在Java堆栈帧中被组织为一个从0计数的数组，指令通过提供他们的索引从本地变量区中取得相应的值。Int,float,reference, returnValue占一个字，byte,short,char被转换成int然后存储，long和doubel占两个字。
     指令通过提供两个字索引中的前一个来取得long,doubel的值。比如一个long的值存储在索引3，4上，指令就可以通过3来取得这个long类型的值。
     本地变量区中包含了方法的参数和本地变量。编译器将方法的参数以他们申明的顺序放在数组的前面。但是编译器却可以将本地变量任意排列在本地变量数组中，甚至两个本地变量可以公用一个地址，比如，当两个本地变量在两个不交叠的区域内，就像循环变量i,j。
     虚拟机的实现者可以使用任何结构来描述本地变量区中的数据，虚拟机规范中没有定义如何存储long和doubel。
     2、操作数堆栈（Operand Stack）
     向本地变量一样，操作数堆栈也被组织为一个以字为单位的数组。但是不像本地变量那样通过索引访问，而是通过push和pop值来实现访问的。如果一个指令push一个值到堆栈中，那么下一个指令就可以pop并且使用这个值。
     操作数堆栈不像程序计数器那样不可以被指令直接访问，指令可以直接访问操作数堆栈。Java虚拟机是一个以堆栈为基础，而不是以寄存器为基础的，因为它的指令从堆栈中取得操作数，而不是同寄存器中。当然，指令也可以从其他地方去的操作数，比如指令后面的操作码，或者常量池。但是Java虚拟机指令主要是从操作数堆栈中取得他们需要的操作数。
     Java虚拟机将操作数堆栈视为工作区，很多指令通过先从操作数堆栈中pop值，在处理完以后再将结果push回操作数堆栈。一个add的指令执行过程如下图所示：先执行iload_0和iload_1两条指令将需要相加的两个数，从本地方法区中取出，并push到操作数堆栈中；然后执行iadd指令，现 pop出两个值，相加，并将结果pusp进操作数堆栈中；最后执行istore_2指令，pop出结果，赋值到本地方法区中。
     3、帧数据（Frame Data）
     处理本地变量和操作数堆栈以外，java堆栈帧还包括了为了支持常量池，方法返回值和异常分发需要的数据，他们被保存在帧数据中。
     当虚拟机遇到使用指向常量池引用的指令时，就会通过帧数据中指向常量区的指针来访问所需要的信息。前面提到过，常量区中的引用在最开始时都是符号引用。即使当虚拟机检查这些引用时，他们也是字符引用。所以虚拟机需要在这时转换这个引用。
     当一个方法正常返回时，虚拟机需要重建那个调用这个方法的方法的堆栈帧。如果执行完的方法有返回值，虚拟机就需要将这个值push进调用方法的哪个操作数堆栈中。
     帧数据中也包含虚拟机用来处理异常的异常表的引用。异常表定义了一个被catch语句保护的一段字节码。每一个异常表中的个体又包含了需要保护的字节玛的范围，和异常被捕捉到时需要执行的字节码的位置。当一个方法抛出一个异常时，Java虚拟机就是用异常表去判断如何处理这个异常。如果虚拟机找到了一个匹配的catch，他就会将控制权交给catch语句。如果没有找到匹配的catch，方法就会异常返回，然后再调用的方法中继续这个过程。
     除了以上的三个用途外，帧数据还可能包含一些依赖于实现的数据，比如调试的信息。

十二、本地方法堆栈

本地方法区依赖于虚拟机的不同实现。虚拟机的实现者可以自己决定使用哪一种机制去执行本地方法。
任何本地方法接口（Native Method Interface）都使用某种形式的本地方法堆栈。

十三、执行引擎

一个java虚拟机实现的核心就是执行引擎。在Java虚拟机规范，执行引擎被描述为一系列的指令。对于每一个指令，规范都描述了他们应该做什么，但是没有说要如何去做。

     1、指令集
     在Java虚拟机中一个方法的字节码流就是一个指令的序列。每一个指令由一个字节的操作码（Opcode）和可能存在的操作数（Operands）。操作码指示去做什么，操作数提供一些执行这个操作码可能需要的额外的信息。一个抽象的执行引擎每次执行一个指令。这个过程发生在每一个执行的线程中。
    有时，执行引擎可能会遇到一个需要调用本地方法的指令，在这种情况下，执行引擎会去试图调用本地方法，但本地方法返回时，执行引擎会继续执行字节码流中的下一个指令。本地方法也可以看成对Java虚拟机中的指令集的一种扩充。
     决定下一步执行那一条指令也是执行引擎工作的一部分。执行引擎有三种方法去取得下一条指令。多数指令会执行跟在他会面的指令；一些像goto， return的指令，会在他们执行的时候决定他们的下一条指令；当一个指令抛出异常时，执行引擎通过匹配catch语句来决定下一条应该执行的指令。
     平台独立性、网络移动性、安全性左右了Java虚拟机指令集的设计。平台独立性是指令集设计的主要影响因素之一。基于堆栈的结构使得Java虚拟机可以在更多的平台上实现。更小的操作码，紧凑的结构使得字节码可以更有效的利用网络带宽。一次性的字节码验证，使得字节码更安全，而不影响太多的性能。
     2、执行技术
     许多种执行技术可以用在Java虚拟机的实现中：解释执行，及时编译（just-in-time compiling），hot-spot compiling,native execution in silicon。
     3、线程
     Java虚拟机规范定义了一种为了在更多平台上实现的线程模型。Java线程模型的一个目标时可以利用本地线程。利用本地线程可以让Java程序中的线程能过在多处理器机器上真正的同时执行。
     Java线程模型的一个代价就是线程优先级，一个Java线程可以在1-10的优先级上运行。1最低，10最高。如果设计者使用了本地线程，他们可能将这 10个优先级映射到本地优先级上。Java虚拟机规范只定义了，高一点优先级的线程可以却一些cpu时间，低优先级的线程在所有高优先级线程都堵塞时，也可以获取一些cpu时间，但是这没有保证：低优先级的线程在高优先级线程没有堵塞时不可以获得一定的cpu时间。因此，如果需要在不同的线程间协作，你必须使用的“同步（synchronizatoin）”。
     同步意味着两个部分：对象锁（object locking）和线程等待、激活(thread wait and notify)。对象锁帮助线程可以不受其他线程的干扰。线程等待、激活可以让不同的线程进行协作。
     在Java虚拟机的规范中，Java线程被描述为变量、主内存、工作内存。每一个Java虚拟机的实例都有一个主内存，他包含了所有程序的变量：对象、数组合类变量。每一个线程都有自己的工作内存，他保存了哪些他可能用到的变量的拷贝。规则：
          1）、从主内存拷贝变量的值到工作内存中
          2）、将工作内存中的值写会主内存中
     如果一个变量没有被同步化，线程可能以任何顺序更新主内存中的变量。为了保证多线程程序的正确的执行，必须使用同步机制。