JVM01-JVM与Java体系结构

2021/5/18 20:58:29

编程Tag： 文件 class Java 虚拟机 jvm 指令集 JVM01

本文主要是介绍JVM01-JVM与Java体系结构，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

文章目录

1 JVM与Java体系结构
- 1.1 JVM是跨语言的平台
- 1.2 JVM的简介和特点
- 1.3 JVM的整体结构
- 1.4 JVM的架构模型
- 1.5 JVM的生命周期
- 1.6 JVM的发展历程

1 JVM与Java体系结构

Java不是最强大的语言，但JVM是最强大的虚拟机

1.1 JVM是跨语言的平台

JVM需要class文件作为原材料，将class文件编译解释成机器指令来执行

我们在IDE中编写好的一个类，都是.java结尾的文件，但在执行时都会被编译成.class文件，当一个Java文件开始被执行时，会经过：

.java文件 -> 经过Java编译器(前端编译) 
		-> .class文件 -> JVM装载class文件并编译解释成机器指令执行

在这里插入图片描述

Java文件经过编译后产生的class文件：
在这里插入图片描述
JVM与语言无关，它只需要符合JVM规范的class文件，不仅仅是Java，如果某个语言也能编译成class文件，且符合JVM规范，那么也可以交给JVM来执行，即JVM是跨语言的平台:

如果某个项目中，并行处理采用Clojure编写，展示层采用JRuby编写，中间层则是Java，每个应用层采用不同的编程语言来完成，在JVM上使用多种语言混合编程是完全可行的，因为这些语言编译后的class文件都会运行在同一个JVM上

1.2 JVM的简介和特点

JVM是一个虚拟机(Vistrual Machine)，虚拟机就是一个软件，用来执行一系列虚拟计算机指令，虚拟机大致可分为两类:

系统虚拟机
	如VMware, Visual Box就是系统虚拟机，是对物理计算机的仿真
	提供了一个可运行完整操作系统的软件平台

程序虚拟机
	最典型的就是JVM，专门用来执行单个程序
	JVM中执行的指令又称为字节码指令，即class文件的内容
	JVM这个软件负责编译解释class文件的内容为CPU能看懂的机器指令并执行

JVM：一台执行class文件的虚拟计算机，拥有独立的运行机制，JVM平台上的各种语言都可以编译成class文件在JVM上执行，共享JVM的跨平台性，拥有优秀的垃圾回收器，可靠的即时编译器，自动内存管理…
在这里插入图片描述
JVM运行在操作系统之上，与硬件没有直接的交互，不同的操作系统上的JVM是有区别的，不同的硬件系统执行同一操作的机器语言是不同的，为此每种系统上都要有一款JVM，该系统上的JVM负责将class文件编译解释为该系统能辨识的机器指令

不同系统上需要不同的JVM：
在这里插入图片描述
Java程序所谓的write once，run anywhere指的是编写好的Java程序能够不经过修改，就能直接在同平台上的其它机器上运行，本质上是同平台上所有机器安装的JVM都是相同的，对同一个class文件的执行方式也是相同的

1.3 JVM的整体结构

目前使用最广泛的JVM是HotSpot VM，它采用解释器和即时编译器并存的架构，随着JVM的不断优化和更新，目前Java程序的运行性能已与C/C++所差无几
在这里插入图片描述

1.4 JVM的架构模型

有两种指令集架构，一种是基于栈的指令集架构，另一种是基于寄存器的指令集架构，而JVM采用的是基于栈的指令集架构

两种架构的特点:

基于栈的指令集架构:
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问题，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，执行过程依赖于栈
	指令集更小，编译器更容易实现
4，不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

基于寄存器的指令集架构:
1，典型的x86二进制指令集，如传统PC
2，指令集完全依赖硬件，可移植性差
3，性能优秀，执行更高效
4，花费更少指令完成一项操作
5，基于寄存器架构的指令集往往是
	一地址指令，二地址指令和三地址指令为主
	而基于栈的指令集架构是零地址指令为主

执行2+3这样的操作，两种架构的指令如下:
在这里插入图片描述
做一个简单的测试来看看JVM的指令集架构:

上述的类只进行了简单的赋值操作，运行后可以在out目录里找到它经过编译后的字节码文件:
在这里插入图片描述

在IDEA中打开控制台，通过cd切换到该class文件所在目录，使用javap -v将这个字节码文件反编译：
在这里插入图片描述
这里着重看栈中的内容：

D:\JVM\About_JVM01\JVM_01\out\production\JVM_01\com\coisini\jvm\core>javap -v StackStuckTest.class
// 省略了部分内容

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2 // 定义常量2
         1: istore_1 // 将常量2存储到栈中的下标为1的位置
         2: iconst_3 // 定义常量3
         3: istore_2 // 将常量3存储到栈中的下标为2的位置
         4: iload_1  // 加载常量2
         5: iload_2  // 加载常量3
         6: iadd     // 两个常量相加
         7: istore_3 // 将结果存储到栈中的下标为3的位置
         8: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 2
        line 14: 4
        line 16: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            2       7     1     i   I
            4       5     2     j   I
            8       1     3     k   I
}
SourceFile: "StackStuckTest.java"

java文件中的三行代码实际上被翻译成了8行指令，通过栈来操作

总结:
由于JVM跨平台性的设计，Java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，指令多，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样功能需要更多的指令

1.5 JVM的生命周期

JVM生命周期主要分为三个阶段:

1，JVM启动(进行类加载)：
JVM的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader)
创建一个初始类(initial class)来完成的
这个类是由虚拟机的具体实现指定的

当想执行某个Java程序时，需要先启动JVM，进行类加载过程，即将执行main方法需要用到的类全部加载(main中出现的类及其父类等…)

2，JVM执行(启动新进程)：
执行一个Java程序时，实际上是创建一个Java虚拟机实例
这个Java虚拟机实例就是一个负责执行Java程序的进程，用来将class文件翻译成机器指令并执行

可以在控制台中使用 jps来查看当前JVM中正在执行的进程:
在这里插入图片描述
3，JVM关闭(程序结束或异常)：

退出的几种情况
1，JVM中的程序正常执行结束

2，程序在执行过程中遇到了异常或错误而终止

3，由于操作系统出现错误导致JVM终止

4，调用了System.exit()方法，直接退出
...