深入探索Java工作原理：JVM記憶體回收及其他

Java語言引入了Java虛擬機器，具有跨平台啟動並執行功能，能夠很好地適應各種Web應用。同時，

為了提高Java語言的效能和健壯性，還引入了如記憶體回收機制等新功能，通過這些改進讓

Java具有其獨特的工作原理。

1．Java虛擬機器

Java虛擬機器（Java Virtual Machine，JVM）是軟體類比的電腦，它可以在任何處理器上（

無論是在電腦中還是在其他電子裝置中）安全相容地執行儲存在.class檔案中的位元組碼。

Java虛擬機器的“機器碼”儲存在.class檔案中，有時也可以稱之為位元組碼檔案。

Java程式的跨平台特性主要是指位元組碼檔案可以在任何具有Java虛擬機器的電腦或者電子設

備上運行，Java虛擬機器中的Java解譯器負責將位元組碼檔案解釋成為特定的機器碼進行運行。

因此在運行時，Java來源程式需要通過編譯器編譯成為.class檔案。

Java虛擬機器的建立需要針對不同的軟硬體平台來實現，既要考慮處理器的型號，也要考慮操

作系統的種類。由此在SPARC結構、X86結構、MIPS和PPC等嵌入式處理晶片上，在UNIX、

Linux、Windows和部分即時作業系統上都可實現Java虛擬機器。

2．無用記憶體自動回收機制

在程式的執行過程中，部分記憶體在使用過後就處於廢棄狀態，如果不及時進行回收，很有可

能會導致記憶體流失，進而引發系統崩潰。在C++語言中是由程式員進行記憶體回收的，程式員需

要在編寫程式時把不再使用的對象記憶體釋放掉，這種人為管理記憶體釋放的方法往往由於程式

員的疏忽而致使記憶體無法回收，同時也增加了程式員的工作量。而在Java運行環境中，始終

存在著一個系統級的線程，專門跟蹤記憶體的使用方式，定期檢測出不再使用的記憶體，並自動

進行回收，避免了記憶體的泄露，也減輕了程式員的工作量。

3．代碼安全性檢查機制

安全和方便總是相對矛盾的。Java程式設計語言的出現使得用戶端電腦可以方便地從網路上上

傳或下載Java程式到本機電腦上運行，但是如何保證該Java程式不攜帶病毒或者沒有其他

危險目的呢？為了確保Java程式執行的安全性，Java語言通過Applet程式來控制非法程式的

安全性，也就是有了它才確保Java語言的生存。

 
Java位元組碼的執行需要經過以下3個步驟：

（1）由類裝載器（class loader）負責把類檔案（.class檔案）載入到Java虛擬機器中。在此

過程需要檢驗該類檔案是否符合類檔案規格。
 

（2）位元組碼校正器（bytecode verifier）檢查該類檔案的代碼中是否存在著某些非法操作

，例如Applet程式中寫本機電腦檔案系統的操作。

（3）如果位元組碼校正器檢驗通過，由Java解譯器負責把該類檔案解釋成為機器碼進行執行。

注意：

Java虛擬機器採用“沙箱”運行模式，即把Java程式的代碼和資料都限制在一定記憶體空間裡執

行，不允許程式訪問該記憶體空間以外的記憶體。如果是Applet程式，還不允許訪問用戶端機器

的檔案系統。
　　

Java的運行環境

無論哪種語言都需要有它特定的運行環境，也就是平台。Java語言同樣不例外。但是如何理

解Java程式與硬體環境無關呢？

幾乎所有的語言都需要通過編譯或者解釋才可以被電腦執行，但是Java有一點不同，它同

時需要這兩個過程。其實，也正是因為這個原因才使Java這種語言具有了平台無關性。當完

成一個Java來源程式後，首先，通過Java翻譯程式將它編譯成一種叫做位元組碼的中間代碼，然

後再由Java平台的解譯器將它轉換成為機器語言來執行，這一平台的核心就是JVM。

Java的編譯過程與其他的語言不同。像C++這樣的語言，在編譯時間它是與電腦的硬體平台信

息密不可分的。編譯器通過查表將所有指令的運算元和作業碼等轉換成記憶體的位移量，即

程式運行時的記憶體配置方式，目的是保證程式正常運行。而Java卻是將指令轉換成為一

種.class的檔案，這種檔案不包含硬體的資訊，需要執行時只要經過安裝有JVM的機器進行解

釋，建立記憶體配置後再通過查表來確定一條指令所在的地址。這樣就有效地保證了Java的可

移植性和安全性。

Java平台具有這樣的特性和它的結構有關。通常一個程式啟動並執行平台是一個硬體或者軟體運

行的環境，目前比較流行的是Windows XP、Linux、Solaris和MacOS。Java的平台不太一樣，

它由兩個部分組成，即JVM和應用程式設計介面。

1．JVM

JVM是Java平台的核心，為了讓編譯產生的位元組碼能更好地解釋與執行，因此把JVM分成了6個

部分：JVM解譯器、指令系統、寄存器、棧、儲存區和片段回收區。

◆JVM解譯器：即這個虛擬機器處理欄位碼的CPU。

◆JVM指令系統：該系統與電腦很相似，一條指令由作業碼和運算元兩部分組成。作業碼為

8位位元，主要是為了說明一條指令的功能，運算元可以根據需要而定，JVM有多達256種

不同的操作指令。
 
◆寄存器：JVM有自己的虛擬寄存器，這樣就可以快速地與JVM的解譯器進行資料交換。為了

功能的需要，JVM設定了4個常用的32位寄存器：pc（程式計數器）、optop（運算元棧頂指標

）、frame（當前執行環境指標）和vars（指向當前執行環境中第一個局部變數的指標）。

◆JVM棧：指令執行時資料和資訊儲存的場所和控制中心，它提供給JVM解譯器運算所需要的

資訊。

◆儲存區：JVM儲存區用於儲存編譯過後的位元組碼等資訊。

◆片段回收區：JVM片段回收是指將使用過的Java類的具體執行個體從記憶體進行回收，這就使得開

發人員免去了自己編程式控制制記憶體的麻煩和危險。隨著JVM的不斷升級，其片段回收的技術和算

法也更加合理。JVM 1.4.1版後產生了一種叫分代收集技術，簡單來說就是利用對象在程式中

生存的時間劃分成代，以此為標準進行片段回收。

2．Java應用程式設計介面

Java Application Programming Interface簡稱Java API，其中文名為Java應用程式設計接

口。它是一個軟體集合，其中有許多開發時所需要的控制項，可以用它來輔助開發。

Java API和JVM構成了Java啟動並執行基本環境，這兩種軟體整合在一起處於電腦之上，通過這

兩種軟體，Java平台把一個Java應用程式從硬體系統分離開，從而很好地保證了程式的獨立

性。為了更好地適應開發的需要，Java的設計者們提供了3種版本的Java平台：Java 2 Micro

Edition （J2ME ）、Java 2 Standard Edition（J2SE）和 Java 2 Enterprise Edition （

J2EE），每一種版本都提供了豐富的開發工具以適應不同的開發需要。