Java虛擬機器運行機制)

JVM(Java虛擬機器)一種用於計算裝置的規範，可用不同的方式（軟體或硬體）加以實現。編譯虛擬機器的指令集與編譯微處理器的指令集非常類似。Java虛擬機器包括一套位元組碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個記憶體回收堆和一個儲存方法域。 

      Java虛擬機器(JVM)是可運行Java代碼的假想電腦。只要根據JVM規格描述將解譯器移植到特定的電腦上，就能保證經過編譯的任何Java代碼能夠在該系統上運行。 

      Java虛擬機器是一個想象中的機器,在實際的電腦上通過軟體類比來實現。Java虛擬機器有自己想象中的硬體,如處理器、堆棧、寄存器等,還具有相應的指令系統。

一、Java虛擬機器(JVM)概述

      1.為什麼要使用Java虛擬機器

      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虛擬機器是實現這一特點的關鍵。一般的進階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標代碼。而引入Java語言虛擬機器後,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虛擬
機屏蔽了與具體平台相關的資訊,使得Java語言編譯器只需產生在Java虛擬機器上啟動並執行目標代碼(位元組碼),就可以在多種平台上不加修改地運行。
Java虛擬機器在執行位元組碼時,把位元組碼解釋成具體平台上的機器指令執行。

      2.誰需要瞭解Java虛擬機器

      Java虛擬機器是Java語言底層實現的基礎,對Java語言感興趣的人都應對Java虛擬機器有個大概的瞭解。這有助於理解Java語
言的一些性質,也有助於使用Java語言。對於要在特定平台上實現Java虛擬機器的軟體人員,Java語言的編譯器作者以及要用硬體晶片實現Java虛擬
機的人來說,則必須深刻理解Java虛擬機器的規範。另外,如果你想擴充Java語言,或是把其它語言編譯成Java語言的位元組碼,你也需要深入地瞭解
Java虛擬機器。

      3.Java虛擬機器支援的資料類型

      Java虛擬機器支援Java語言的基礎資料型別 (Elementary Data Type)如下:

      byte://1位元組有符號整數的補碼 
      short://2位元組有符號整數的補碼 
      int://4位元組有符號整數的補碼 
      long://8位元組有符號整數的補碼 
      float://4位元組IEEE754單精確度浮點數 
      double://8位元組IEEE754雙精確度浮點數 
      char://2位元組無符號Unicode字元

      幾乎所有的Java類型檢查都是在編譯時間完成的。上面列出的未經處理資料類型的資料在Java執行時不需要用硬體標記。操作這些未經處理資料類
型資料的位元組碼(指令)本身就已經指出了運算元的資料類型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把兩個數相加,其運算元類型別是int、
long、float和double。虛擬機器沒有給boolean(布爾)類型設定單獨的指令。boolean型的資料是由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。虛擬機器使用IEEE754格式的浮點數。不支援IEEE格式的較舊的計
算機,在運行Java數值計算程式時,可能會非常慢。

      虛擬機器支援的其它資料類型包括: 
      object//對一個Javaobject(對象)的4位元組引用 
      returnAddress//4位元組,用於jsr/ret/jsr-w/ret-w指令 
      注:Java數組被當作object處理。

      虛擬機器的規範對於object內部的結構沒有任何特殊的要求。在Sun公司的實現中,對object的引用是一個控制代碼,其中包含一對指
針:一個指標指向該object的方法表,另一個指向該object的資料。用Java虛擬機器的位元組碼錶示的程式應該遵守類型規定。Java虛擬機器的實現
應拒絕執行違反了類型規定的位元組碼程式。Java虛擬機器由於位元組碼定義的限制似乎只能運行於32位地址空間的機器上。但是可以建立一個Java虛擬機器,它
自動地把位元組碼轉換成64位的形式。從Java虛擬機器支援的資料類型可以看出,Java對資料類型的內部格式進行了嚴格規定,這樣使得各種Java虛擬機器
的實現對資料的解釋是相同的,從而保證了Java的與平台無關性和可 
移植性。

二、Java虛擬機器JVM規格描述

      JVM的設計目標是提供一個基於抽象規格描述的電腦模型，為解釋程式開發人員提很好的靈活性，同時也確保Java代碼可在符合該規範
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，特別是對Java可執行代碼，即位元組碼(Bytecode)的格式給出了明確的規格。這一
規格包括作業碼和運算元的文法和數值、標識符的數值表示方式、以及Java類檔案中的Java對象、常量緩衝池在JVM的儲存映象。這些定義為JVM解釋
器開發人員提供了所需的資訊和開發環境。Java的設計者希望給開發人員以隨心所欲使用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片段回收堆 　　
      *JVM儲存區 

      2.1JVM指令系統 
      JVM指令系統同其他電腦的指令系統極其相似。Java指令也是由 作業碼和操
作數兩部分組成。作業碼為8位位元，運算元進緊隨在作業碼的後面，其長度根據需要而不同。作業碼用於指定一條指令操作的性質（在這裡我們採用彙編符號
的形式進行說明），如iload表示從儲存空間中裝入一個整數，anewarray表示為一個新數組分配空間，iand表示兩個整數的"與"，ret用於流
程式控制制，表示從對某一方法的調用中返回。當長度大於8位時，運算元被分為兩個以上位元組存放。JVM採用了"big endian"的編碼方式來處理這種情
況，即高位bits存放在低位元組中。這同 Motorola及其他的RISC CPU採用的編碼方式是一致的，而與Intel採用
的"little endian "的編碼方式即低位bits存放在低位位元組的方法不同。 

      Java指令系統是以Java語言的實現為目的設計的，其中包含了用於調用方法和監視多先程系統的指令。Java的8位作業碼的長度使得JVM最多有256種指令，目前已使用了160多種作業碼。 

      2.2JVM指令系統 
      所有的CPU均包含用於儲存系統狀態和處理器所需資訊的寄存器組。如果虛擬機器定義較多的寄
存器，便可以從中得到更多的資訊而不必對棧或記憶體進行訪問，這有利於提高運行速度。然而，如果虛擬機器中的寄存器比實際CPU的寄存器多，在實現虛擬機器時就
會佔用處理器大量的時間來用常規儲存空間類比寄存器，這反而會降低虛擬機器的效率。針對這種情況，JVM只設定了4個最為常用的寄存器。它們是： 
      pc程式計數器 
      optop運算元棧頂指標 
      frame當前執行環境指標 
      vars指向當前執行環境中第一個局部變數的指標 
      所有寄存器均為32位。pc用於記錄程式的執行。optop,frame和vars用於記錄指向Java棧區的指標。 

      2.3JVM棧結構 
      作為基於棧結構的電腦，Java棧是JVM儲存資訊的主要方法。當JVM得到一個Java位元組碼應用程式後，便為該代碼中一個類的每一個方法建立一個棧架構，以儲存該方法的狀態資訊。每個棧架構套件括以下三類資訊： 
      局部變數 
      執行環境 
      運算元棧

      局部變數用於儲存一個類的方法中所用到的局部變數。vars寄存器指向該變數表中的第一個局部變數。 

      執行環境用於儲存解譯器對Java位元組碼進行解釋過程中所需的資訊。它們是：上次調用的方法、局部變數指標和運算元棧的棧頂和棧底指
針。執行環境是一個執行一個方法的控制中心。例如：如果解譯器要執行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
境中找到運算元棧，從棧頂彈出兩個整數進行加法運算，最後將結果壓入棧頂。 

      運算元棧用於儲存運算所需運算元及運算的結果。 

      2.4JVM片段回收堆 
      Java類的執行個體所需的儲存空間是在堆上分配的。解譯器具體承擔為類執行個體分配空間的工作。解譯器在為一個執行個體分配完儲存空間後，便開始記錄對該執行個體所佔用的記憶體地區的使用。一旦對象使用完畢，便將其回收到堆中。 

      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記憶體。對記憶體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片段回收的方法。在SUN公司開發的Java解譯器和Hot Java環境中，片段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效能，而且使程式設計人員擺脫了自己控制記憶體使用量的風險。 

      2.5JVM儲存區 
      JVM有兩類儲存區：常量緩衝池和方法區。常量緩衝池用於儲存類名稱、方法和欄位名稱以及串
常量。方法區則用於儲存Java方法的位元組碼。對於這兩種儲存地區具體實現方式在JVM規格中沒有明確規定。這使得Java應用程式的儲存布局必須在運行
過程中確定，依賴於具體平台的實現方式。
 
      JVM是為Java位元組碼定義的一種獨立於具體平台的規格描述，是Java平台獨立性的基礎。目前的JVM還存在一些限制和不足，有待於進一步的完善，但無論如何，JVM的思想是成功的。

      對比分析：如果把Java原程式想象成我們的C++原程式，Java原程式編譯後產生的位元組碼就相當於C++原程式編譯後的80x86
的機器碼（二進位程式檔案），JVM虛擬機器相當於80x86電腦系統,Java解譯器相當於80x86CPU。在80x86CPU上啟動並執行是機器碼，在
Java解譯器上啟動並執行是Java位元組碼。

      Java解譯器相當於運行Java位元組碼的“CPU”,但該“CPU”不是通過硬體實現的，而是用軟體實現的。Java解譯器實際上就
是特定的平台下的一個應用程式。只要實現了特定平台下的解譯器程式，Java位元組碼就能通過解譯器程式在該平台下運行，這是Java跨平台的根本。當前，
並不是在所有的平台下都有相應Java解譯器程式，這也是Java並不能在所有的平台下都能啟動並執行原因，它只能在已實現了Java解譯器程式的平台下運
行。

三、Java虛擬機器JVM的體繫結構
 

      剛才已經提到，JVM可以由不同的廠商來實現。由於廠商的不同必然導致JVM在實現上的一些不同，然而JVM還是可以實現跨平台的特性，這就要歸功於設計JVM時的體繫結構了。 

      我們知道，一個JVM執行個體的行為不光是它自己的事，還涉及到它的子系統、儲存地區、資料類型和指令這些部分，它們描述了JVM的一個抽
象的內部體繫結構，其目的不光規定實現JVM時它內部的體繫結構，更重要的是提供了一種方式，用於嚴格定義實現時的外部行為。每個JVM都有兩種機制，一
個是裝載具有合適名稱的類(類或是介面)，叫做類裝載子系統；另外的一個負責執行包含在已裝載的類或介面中的指令，叫做運行引擎。每個JVM又包括方法
區、堆、Java棧、程式計數器和本地方法棧這五個部分，這幾個部分和類裝載機制與運行引擎機制一起組成的體繫結構圖為： 

圖3JVM的體繫結構 

      JVM的每個執行個體都有一個它自己的方法域和一個堆，運行於JVM內的所有的線程都共用這些地區；當虛擬機器裝載類檔案的時候，它解析其中
的位元據所包含的類資訊，並把它們放到方法域中；當程式啟動並執行時候，JVM把程式初始化的所有對象置於堆上；而每個線程建立的時候，都會擁有自己的程
序計數器和Java棧，其中程式計數器中的值指向下一條即將被執行的指令，線程的Java棧則儲存為該線程調用Java方法的狀態；本地方法調用的狀態被
儲存在本地方法棧，該方法棧依賴於具體的實現。 

      下面分別對這幾個部分進行說明。 

      執行引擎處於JVM的核心位置，在Java虛擬機器規範中，它的行為是由指令集所決定的。儘管對於每條指令，規範很詳細地說明了當JVM
執行位元組碼遇到指令時，它的實現應該做什麼，但對於怎麼做卻言之甚少。Java虛擬機器支援大約248個位元組碼。每個位元組碼執行一種基本的CPU運算,例
如,把一個整數加到寄存器,子程式轉移等。Java指令集相當於Java程式的組合語言。 

      Java指令集中的指令包含一個單位元組的操作符,用於指定要執行的操作,還有0個或多個運算元,提供操作所需的參數或資料。許多指令沒有運算元,僅由一個單位元組的操作符構成。 

      虛擬機器的內層迴圈的執行過程如下: 

 

do{ 

取一個操作符位元組; 

根據操作符的值執行一個動作; 

}while(程式未結束) 

      由於指令系統的簡單性,使得虛擬機器執行的過程十分簡單,從而有利於提高執行的效率。指令中運算元的數量和大小是由操作符決定的。如果運算元比一個位元組大,那麼它儲存的順序是高位位元組優先。例如,一個16位的參數存放時佔用兩個位元組,其值為: 

      第一個位元組*256+第二個位元組位元組碼。 

      指令流一般只是位元組對齊的。指令tableswitch和lookup是例外,在這兩條指令內部要求強制的4位元組邊界對齊。 

      對於本地方法介面，實現JVM並不要求一定要有它的支援，甚至可以完全沒有。Sun公司實現Java本地介面(JNI)是出於可移植性
的考慮，當然我們也可以設計出其它的本地介面來代替Sun公司的JNI。但是這些設計與實現是比較複雜的事情，需要確保記憶體回收行程不會將那些正在被本地方
法調用的對象釋放掉。 

      Java的堆是一個運行時資料區,類的執行個體(對象)從中分配空間，它的管理是由記憶體回收來負責的:不給程式員顯式釋放對象的能力。Java不規定具體使用的記憶體回收演算法,可以根據系統的需求使用各種各樣的演算法。 

      Java方法區與傳統語言中的編譯後代碼或是Unix進程中的本文段類似。它儲存方法代碼(編譯後的java代碼)和符號表。在當前的
Java實現中,方法代碼不包括在記憶體回收堆中,但計劃在將來的版本中實現。每個類檔案包含了一個Java類或一個Java介面的編譯後的代碼。可以說類
檔案是Java語言的執行代碼檔案。為了保證類檔案的平台無關性,Java虛擬機器規範中對類檔案的格式也作了詳細的說明。其具體細節請參考Sun公司的
Java虛擬機器規範。 

      Java虛擬機器的寄存器用於儲存機器的運行狀態,與微處理器中的某些專用寄存器類似。Java虛擬機器的寄存器有四種: 

      pc: Java程式計數器； 

      optop: 指向運算元棧頂端的指標； 

      frame: 指向當前執行方法的執行環境的指標；。 

      vars: 指向當前執行方法的局部變數區第一個變數的指標。 

      在上述體繫結構圖中，我們所說的是第一種，即程式計數器，每個線程一旦被建立就擁有了自己的程式計數器。當線程執行Java方法的時候，它包含該線程正在被執行的指令的地址。但是若線程執行的是一個本地的方法，那麼程式計數器的值就不會被定義。 

      Java虛擬機器的棧有三個地區:局部變數區、運行環境區、運算元區。 

      局部變數區 

      每個Java方法使用一個固定大小的局部變數集。它們按照與vars寄存器的字位移量來定址。局部變數都是32位的。長整數和雙精確度浮
點數佔據了兩個局部變數的空間,卻按照第一個局部變數的索引來定址。(例如,一個具有索引n的局部變數,如果是一個雙精確度浮點數,那麼它實際佔據了索引n
和n+1所代表的儲存空間)虛擬機器規範並不要求在局部變數中的64位的值是64位對齊的。虛擬機器提供了把局部變數中的值裝載到運算元棧的指令,也提供了把
運算元棧中的值寫入局部變數的指令。 

      運行環境區 

      在運行環境中包含的資訊用於動態連結,正常的方法返回以及異常捕捉。 

      動態連結 

      運行環境包括對指向當前類和當前方法的解譯器符號表的指標,用於支援方法代碼的動態連結。方法的class檔案代碼在引用要調用的方法
和要訪問的變數時使用符號。動態連結把符號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號,並把變數訪問翻譯成與這些變數運行時
的儲存結構相應的位移地址。動態連結方法和變數使得方法中使用的其它類的變化不會影響到本程式的代碼。 

      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確類型的返回指令時,調用的方法會得到一個傳回值。執行環境在正常返回的情況下用於恢複
調用者的寄存器,並把調用者的程式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。 

      異常捕捉 

      異常情況在Java中被稱作Error(錯誤)或Exception(異常),是Throwable類的子類,在程式中的原因是:①動態連結錯,如無法找到所需的class檔案。②運行時錯,如對一個null 指標的引用。程式使用了throw語句。 

      當異常發生時,Java虛擬機器採取如下措施: 

§ 檢查與當前方法相聯絡的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內,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。 

§ 由於虛擬機器從第一個匹配的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,對任意可能的程式計數器的值,都可以用線性順序找到合適的異常處理塊,以處理在該程式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"的結果並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,那麼這種錯誤將被傳播下去。如果錯誤被傳播到最頂層,那麼系統將調用一個預設的異常處理塊。 

      運算元棧區 

      機器指令只從運算元棧中取運算元,對它們進行操作,並把結果返回到棧中。選擇棧結構的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的機器
(如Intel486)上,也能夠高效地類比虛擬機器的行為。運算元棧是32位的。它用於給方法傳遞參數,並從方法接收結果,也用於支援操作的參數,並儲存
操作的結果。例如,iadd指令將兩個整數相加。相加的兩個整數應該是運算元棧頂的兩個字。這兩個字是由先前的指令壓進堆棧的。這兩個整數將從堆棧彈出、
相加,並把結果壓回到運算元棧中。 

      每個未經處理資料類型都有專門的指令對它們進行必須的操作。每個運算元在棧中需要一個儲存位置,除了long和double型,它們需要兩
個位置。運算元只能被適用於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的虛擬機器實
現中,這個限制由位元組碼驗證器強制實行。但是,有少數操作(操作符dupe和swap),用於對運行時資料區進行操作時是不考慮類型的。 

      本地方法棧，當一個線程調用本地方法時，它就不再受到虛擬機器關於結構和安全限制方面的約束，它既可以訪問虛擬機器的運行期資料區，也可以
使用本地處理器以及任何類型的棧。例如，本地棧是一個C語言的棧，那麼當C程式調用C函數時，函數的參數以某種順序被壓入棧，結果則返回給調用函數。在實
現Java虛擬機器時，本地方法介面使用的是C語言的模型棧，那麼它的本地方法棧的調度與使用則完全與C語言的棧相同。 

四、Java虛擬機器JVM的運行過程
 

      上面對虛擬機器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。 

      虛擬機器通過調用某個指定類的方法main啟動，傳遞給main一個字串數組參數，使指定的類被裝載，同時連結該類所使用的其它的類型，並且初始化它們。例如對於程式： 

class HelloApp 

{ 

public static void main(String[] args) 

{ 

System.out.println("Hello World!"); 

for (int i = 0; i < args.length; i++ ) 

{ 

System.out.println(args); 

} 

} 

} 

      編譯後在命令列模式下鍵入： java HelloApp run virtual machine 

 

      將通過調用HelloApp的方法main來啟動java虛擬機器，傳遞給main一個包含三個字串"run"、"virtual"、"machine"的數組。現在我們略述虛擬機器在執行HelloApp時可能採取的步驟。 

      開始試圖執行類HelloApp的main方法，發現該類並沒有被裝載，也就是說虛擬機器當前不包含該類的二進位代表，於是虛擬機器使用
ClassLoader試圖尋找這樣的二進位代表。如果這個進程失敗，則拋出一個異常。類被裝載後同時在main方法被調用之前，必須對類
HelloApp與其它類型進行連結然後初始化。連結包含三個階段：檢驗，準備和解析。檢驗檢查被裝載的主類的符號和語義，準備則建立類或介面的靜態域以
及把這些域初始化為標準的預設值，解析負責檢查主類對其它類或介面的符號引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對類中聲明的靜態初始化函數和靜態域的初
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： 

圖4：JAVA虛擬機器的運行過程