Java虚拟机工作原理

古城微笑少年丶 2024-02-19 14:00 35阅读 0赞

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一、什么是Java虚拟机  
jav虚拟机是一个想象中的机器，在实际的计算机上通过软件模拟来实现。java虚拟机有自己想象的硬件，如处理器、堆栈、寄存器、还有相应的指定系统。  
总结：java虚拟机--处理器、堆栈、寄存器、指令系统。  
二、为什么使用Java虚拟机  
Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。  
总结：java平台无关性、把目标代码编译成字节码  
三、Java虚拟机的生命周期  
一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。程序开始执行时它才运行，程序结束时它就停止。假如你同时运行三个Java程序，就会有三个运行中的Java虚拟机。  
Java虚拟机总是开始于一个main()方法，这个方法必须是公有public、返回void、直接接收一个字符串数组。在程序执行时，你必须给Java虚拟机指明这个包含有main()方法的类名。  
Main()方法是程序的起点，它被执行的线程初始化为程序的初始线程。程序中其它的线程都由他来启动。Java中的线程分为两种：守护线程 （daemon）和普通线程（non-daemon）。守护线程是Java虚拟机自己使用的线程，比如负责垃圾收集的线程就是一个守护线程。当然，你也可以把自己的程序设置为守护线程。包含Main()方法的初始线程不是守护线程。  
只要Java虚拟机中还有普通的线程在执行，Java虚拟机就不会停止。如果有足够的权限，你可以调用exit()方法终止程序。  
总结：Main（）方法是程序的起点、守护线程和普通线程、权限足够调用exit（）终止程序  
  
三、Java虚拟机的体系结构  
在Java虚拟机的规范中定义了一系列的子系统、内存区域、数据类型和使用指南。这些组件构成了Java虚拟机的内部结构，他们不仅仅为Java虚拟机的实现提供了清晰的内部结构，更是严格规定了Java虚拟机实现的外部行为。  
每一个Java虚拟机都由一个类加载器子系统（class loader subsystem），负责加载程序中的类型（类class和接口interface），并赋予唯一的名字。每一个Java虚拟机都有一个执行引擎（execution engine）负责执行被加载类中包含的指令。  
总结：类加载子系统、执行引擎  
程序的执行需要一定的内存空间，如字节码、被加载类的其他额外信息、程序中的对象、方法的参数、返回值、本地变量、处理的中间变量等等。Java虚拟机将这些信息统统保存在数据区（data area）中。虽然每个Java虚拟机的实现中都包含数据区，但是Java虚拟机规范对数据区的规定却非常的抽象。许多结构上的细节部分都留给了 Java虚拟机实现者自己发挥。不同Java虚拟机实现上的内存结构千差万别。一部分实现可能占用很多内存，而其他以下可能只占用很少的内存；一些实现可能会使用虚拟内存，而其它的则不使用。这种比较精炼的Java虚拟机内存规约，可以使得Java虚拟机可以在广泛的平台上被实现。  
数据区中的一部分是整个程序共有，其他部分被单独的线程控制。每一个Java虚拟机都包含方法区（method area）和堆（heap），他们都被整个程序共享。Java虚拟机加载并解析一个类以后，将从类文件中解析出来的信息保存与方法区中。程序执行时创建的 对象都保存在堆中。  
当一个线程被创建时，会被分配只属于它自己的PC寄存器“pc register”（程序计数器）和Java堆栈（Java stack）。当线程不调用本地方法时，PC寄存器中保存线程执行的下一条指令。Java堆栈保存了一个线程调用方法时的状态，包括本地变量、调用方法的 参数、返回值、处理的中间变量。调用本地方法时的状态保存在本地方法堆栈中（native method stacks），可能再寄存器或者其他非平台独立的内存中。  
Java堆栈有堆栈块（stack frames (or frames)）组成。堆栈块包含Java方法调用的状态。当一个线程调用一个方法时，Java虚拟机会将一个新的块压到Java堆栈中，当这个方法运行结束时，Java虚拟机会将对应的块弹出并抛弃。  
Java虚拟机不使用寄存器保存计算的中间结果，而是用Java堆栈在存放中间结果。这是的Java虚拟机的指令更紧凑，也更容易在一个没有寄存器的设备上实现Java虚拟机。  
总结：栈区是存放局部变量的。 方法区是存放类的类型信息，包括类的静态变量和方法  
堆：存放类对象  
四、数据类型（Data Types）  
所有Java虚拟机中使用的数据都有确定的数据类型，数据类型和操作都在Java虚拟机规范中严格定义。Java中的数据类型分为原始数据类型 （primitive types）和引用数据类型（reference type）。引用类型依赖于实际的对象，但不是对象本身。原始数据类型不依赖于任何东西，它们就是本身表示的数据。  
所有Java程序语言中的原始数据类型，都是Java虚拟机的原始数据类型，除了布尔型（boolean）。当编译器将Java源代码编译为字节码时，使用整型（int）或者字节型 （byte）去表示布尔型。在Java虚拟机中使用整数0表示布尔型的false，使用非零整数表示布尔型的true，布尔数组被表示为字节数组，虽然它们可能会以字节数组或者字节块（bit fields）保存在堆中。除了布尔型，其它的原始类型都是Java虚拟机中的数据类型。在Java中数据类型被分为：整形的byte，short，int，long；char和浮点型的float，double。Java语言中的数据类型在任何主机上都有同样的范围。  
在Java虚拟机中还存在一个Java语言中不能使用的原始数据类型----返回值类型（return value）。这种类型被用来实现Java程序中的“finally classes”，具体的参见“Finally Classes”。  
引用类型可能被创建为：类类型（class type），接口类型（interface type），数组类型（array type）。他们都引用被动态创建的对象。当引用类型引用null时，说明没有引用任何对象。

1.TypeRange  
    2.byte8-bit signed two's complement integer (-27 to 27 - 1, inclusive)  
    3.short16-bit signed two's complement integer (-215 to 215 - 1, inclusive)  
    4.int32-bit signed two's complement integer (-231 to 231 - 1, inclusive)  
    5.long64-bit signed two's complement integer (-263 to 263 - 1, inclusive)  
    6.char16-bit unsigned Unicode character (0 to 216 - 1, inclusive)  
    7.float32-bit IEEE 754 single-precision float  
    8.double64-bit IEEE 754 double-precision float  
    9.returnValueaddress of an opcode within the same method  
    10.referencereference to an object on the heap, or null

总结：原始数据类型和引用数据类型。boolean：0-false、非零整数-true  
五、字节长度  
Java虚拟机中最小的数据单元是字（word），其大小由Java虚拟机定义。但是一个字必须容纳byte、short、int、char、float、returnValue、reference；两个字必须足够容纳long，double。所以虚拟机的实现者至少提供的字不能小于31bits的字，但是最好选择特定平台上最有效率的字长。 在运行时，Java程序不能决定所运行机器的字长。字长也不会影响程序的行为，他只是在Java虚拟机中的一种表现方式。  
总结：Java虚拟机中最小的数据单元是字  
六、类加载器子系统