JVM

JVM

（Java虚拟机）是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

JVM可以使Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。“一次编译，到处运行”。JVM实现了Java语言与平台的无关性。

JVM： JVM是JRE的一部分，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。JVM 的主要工作是解释自己的指令集（即字节码）并映射到本地的 CPU 的指令集或 OS 的系统调用。Java语言是跨平台运行的，其实就是不同的操作系统，使用不同的JVM映射规则，让其与操作系统无关，完成了跨平台性。JVM 对上层的 Java 源文件是不关心的，它关注的只是由源文件生成的类文件。类文件的组成包括 JVM指令集，符号表以及一些补助信息。

一支持类型

（1） 基本数据类型

1）数值型：

整数类型：byte    short   int    long

浮点类型：float    double

2)字符型：char

3)布尔型：boolean

（2） 其它数据类型

Java虚拟机，它自动地把字节码转换成64位的形式。保证了Java的与平台无关性和可移植性。

二原理

JVM是java的核心和基础，可以在上面执行java的字节码程序

java编译器只需面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译器，编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。

JVM执行程序的过程 ：

加载.class文件--------管理并分配内存-------执行垃圾收集

JVM是Java程序运行的容器,但是他同时也是操作系统的一个进程,因此他也有他自己的运行的生命周期,也有自己的代码和数据空间。

JVM在整个jdk中处于最底层,负责与操作系统的交互,用来屏蔽操作系统环境,提供一个完整的Java运行环境,因此也叫虚拟计算机.操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成。 

 

三规格

JVM的设计目标是提供一个基于抽象规格描述的计算机模型，为解释程序开发人员提供很好的灵活性，同时也确保Java代码可在符合该规范的任何系统上运行。

五种规格：JVM指令系统   JVM寄存器  JVM 栈结构   JVM 碎片回收堆  JVM 存储区

（1）  JVM指令系统

JVM指令系统同其他计算机的指令系统极其相似。Java指令也是由操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数，操作数紧随在操作码的后面，其长度根据需要而不同。

Java指令系统是以Java语言的实现为目的设计的，其中包含了用于调用方法和监视多线程系统的指令。Java的8位操作码的长度使得JVM最多有256种指令，已使用了160多种操作码。

（2）  JVM寄存器

所有的CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组。如果虚拟机定义较多的寄存器，便可以从中得到更多的信息而不必对栈或内存进行访问，这有利于提高运行速度。

JVM只设置了4个最为常用的寄存器。它们是：

1)pc程序计数器:(程序计数器是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。)

2)optop操作数栈顶指针

3)frame当前执行环境指针

4)vars指向当前执行环境中第一个局部变量的指针

寄存器和存储器的区别:寄存器存在于CPU中，速度很快，数目有限；存储器就是内存，速度快一般都在cpu外部速度稍慢，但数量很大；计算机做运算时，必须将数据读入寄存器才能运算。

（3）JVM 栈结构

作为基于栈结构的计算机，Java栈是JVM存储信息的主要方法。当JVM得到一个Java字节码应用程序后，便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架，以保存该方法的状态信息。每个栈框架包括以下三类信息：

（1）局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。

（2）执行环境用于保存解释器对Java字节码进行解释过程中所需的信息。

（3）操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果。

（4）JVM 碎片回收堆

Java类的实例所需的存储空间是在堆上分配的。解释器（又译为直译器，是一种电脑程序，能够把高级编程语言一行一行直接转译运行。解释器不会一次把整个程序转译出来，只像一位“中间人”，每次运行程序时都要先转成另一种语言再作运行，因此解释器的程序运行速度比较缓慢。它每转译一行程序叙述就立刻运行，然后再转译下一行，再运行，如此不停地进行下去。）具体承担为类实例分配空间的工作。解释器在为一个实例分配完存储空间后，便开始记录对该实例所占用的内存区域的使用。一旦对象使用完毕，便将其回收到堆中。在Java语言中，除了new语句外没有其他方法为一对象申请和释放内存。对内存进行释放和回收的工作是由Java运行系统承担的。这允许Java运行系统的设计者自己决定碎片回收的方法。这不但为运行系统提供了良好的性能，而且使程序设计人员摆脱了自己控制内存使用的风险。

（5）JVM 存储区

JVM有两类存储区：常量缓冲池和方法区。常量缓冲池用于存储类名称、方法和字段名称以及串常量。方法区则用于存储Java方法的字节码。对于这两种存储区域具体实现方式在JVM规格中没有明确规定。这使得Java应用程序的存储布局必须在运行过程中确定，依赖于具体平台的实现方式。JVM是为Java字节码定义的一种独立于具体平台的规格描述，是Java平台独立性的基础。

四运行数据

JVM定义了若干个程序执行期间使用的数据区域。这个区域里的一些数据在JVM启动的时候创建，在JVM退出的时候销毁。而其他的数据依赖于每一个线程，在线程创建时创建，在线程退出时销毁。分别有程序计数器，堆，栈，方法区，运行时常量池。

程序计数器：程序计数器是计算机处理器中的寄存器，它包含当前正在执行的指令的地址（位置）。当每个指令被获取，程序计数器的存储地址加一。在每个指令被获取之后，程序计数器指向顺序中的下一个指令。当计算机重启或复位时，程序计数器通常恢复到^[1] 零。

堆（操作系统）： 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收，分配方式倒是类似于链表。

堆区：1.存储的全部是对象，每个对象都包含一个与之对应的class的信息。(class的目的是得到操作指令)
2.jvm只有一个堆区(heap)被所有线程共享，堆中不存放基本类型和对象引用，只存放对象本身

栈（操作系统）：由操作系统自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

栈区：1.每个线程包含一个栈区，栈中只保存基础数据类型的对象和自定义对象的引用(不是对象)，对象都存放在堆区中
2.每个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的，其他栈不能访问。
3.栈分为3个部分：基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。

方法区：与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据(是唯一的数据)。当java虚拟机通过类加载器加载这个类的时候，这个类的信息就会保存到方法区中,虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。              

1.又叫静态区，跟堆一样，被所有的线程共享。方法区包含所有的class和static变量。
2.方法区中包含的都是在整个程序中永远唯一的元素，如class，static变量。

Java虚拟机的栈有三个区域：局部变量区、运行环境区、操作数区。                        1)局部变量区：每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间，却按照第一个局部变量的索引来寻址。（例如，一个具有索引n的局部变量，如果是一个双精度浮点数，那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间）虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到操作数栈的指令，也提供了把操作数栈中的值写入局部变量的指令。2)运行环境区: 在运行环境中包含的信息用于动态链接，正常的方法返回以及异常捕捉。<1>动态链接: 运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针，用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用，装载必要的类以解释还没有定义的符号，并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。<2>正常的方法返回: 如果当前方法正常地结束了，在执行了一条具有正确类型的返回指令时，调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值，以跳过已执行过的方法调用指令，然后在调用者的执行环境中继续执行下去。<3>异常捕捉: 异常情况在Java中被称作Error（错误）或Exception（异常），是Throwable类的子类，在程序中的原因是：①动态链接错，如无法找到所需的class文件。②运行时错，如对一个空指针的引用。程序使用了throw语句。3)操作数栈区: 机器指令只从操作数栈中取操作数，对它们进行操作，并把结果返回到栈中。它用于给方法传递参数，并从方法接收结果，也用于支持操作的参数，并保存操作的结果。每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的操作。每个操作数在栈中需要一个存储位置，除了long和double型,它们需要两个位置。操作数只能被适用于其类型的操作符所操作。本地方法栈，当一个线程调用本地方法时，它就不再受到虚拟机关于结构和安全限制方面的约束，它既可以访问虚拟机的运行期数据区，也可以使用本地处理器以及任何类型的栈。

运行时常量池:运行时常量池是方法区的一部分。运行时常量池相对于CLass文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入CLass文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

五体系结构

每个JVM都有两种机制，一个是装载具有合适名称的类(类或是接口），叫做类装载子系统；另外的一个负责执行包含在已装载的类或接口中的指令，叫做运行引擎。每个JVM又包括方法区、堆、Java栈、程序计数器和本地方法栈这五个部分，这几个部分和类装载机制与运行引擎机制一起组成的体系结构图为：

虚拟机的内层循环的执行过程如下：

do{

取一个操作符字节；

根据操作符的值执行一个动作；

}while（程序未结束）

六运行过程

JRE和JVM的区别

JRE(Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java程序都要在JRE下才能运行。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。^[3]