Java 虚拟机

本文按
一. 什么是Java虚拟机
二. 虚拟机的生命周期
三. Java虚拟机结构
四. 数据类型( Data Types)
五. 字大小
六. Class Loader 系统

一. 什么是Java虚拟机

Java虚拟机包括以下几个方面的内容：
（1） 抽象规范
（2） 具体实现
（3） 运行时实例
虚拟机抽象规范是一个概念，具体描述在The Java Virtual Machine Specification里。 虚拟机具体实现在很多平台上，很多软件或者硬件厂商都提供了不同的虚拟机实现。运行实例是一个独立运行的java应用。

二. 虚拟机的生命周期

虚拟机的运行实例有很清晰的生命周期。
（1） 当一个Java应用启动时，运行时实例产生；
（2） 当应用结束时，运行时实例消亡；
（3） 如果在同一台主机的同一个虚拟机上运行多个应用，将会得到多个不同的实例；

Java虚拟机实例通过调用main()方法开始运行，main()方法必须是public, static, return void， 并且接受一个参数：String[]。 任何带有这样的main()方法的Java应用可以被看做程序运行的入口。

class Echo {    public static void main(String[] args) {        int len = args.length;        for (int i = 0; i < len; ++i) {            System.out.print(args[i] + " ");        }        System.out.println();    }}

在Java虚拟机内部有两种线程：守护线程和非守护线程。守护线程是Java虚拟机的自有线程，比方说垃圾回收线程。应用可以把任何线程标记为守护线程，main()线程是非守护线程。
在有任意一个非守护线程执行的情况下，Java应用都会继续执行。当所有的非守护线程终止后，应用退出。Java应用也可以调用exit()方法退出。

三. Java虚拟机结构

3.1 虚拟机整体结构

下图展示了虚拟机结构：

图5-1 Java虚拟机内部结构

class loader subsystem：负责加载类和接口
execution engine：负责执行加载的类中的方法
runtime data area: 当虚拟机运行程序的时候，负责在内存中存储数据：包括：二进制代码，对象，方法参数，返回值，本地变量以及中间结果等。

3.2 关于Runtime Data Area

• 每一个虚拟机实例都有一个方法区(method area)和一个堆(heap)，这两个区域被虚拟机中所有运行的线程共享，当虚拟机加载一个类文件(class file)的时候，将从二进制数据中解析的类型信息放进method area，随着程序的运行，虚拟机将产生的对象放入到堆。

图 5-2 被所有线程共享的运行时数据区

• 随着新线程的不断创建，每一个新线程会拥有自己的程序计数器(pc register)和Java栈(stacks)

如果线程正在执行一个Java方法，pc register的值代表下一个将要执行的指令。

1> 一个线程的Java栈存贮着Java方法的调用状态，状态包括它的本地变量，参数，返回值 和中间结果。

Java栈由栈帧（stack frames）组成，栈帧中存储Java方法的调用状态，每当线程invoke一个方法的时候，虚拟机将一个stack frame push到当前这个线程的栈中，当这个方法执行完成后，虚拟机pop出这个栈帧病丢弃。

2> 本地方法调用的实现方式在native method stacks中。

Java虚拟机没有寄存器存储中间值，指令集使用Java Stack存储中间值。这种基于栈的虚拟机指令集有助于促进代码优化。

下图中描述了内存中Java虚拟机线程的创建。这个区域对于每个线程是私有的，任何线程不能访问其他线程的程序计数器。

Figure 5-3. Runtime data areas exclusive to each thread.

这个图展示了一个三个线程运行的虚拟机实例快照，在这个快照中，thread1 和 thread2正在执行Java方法。Thread3正在执行本地方法。

四. 数据类型( Data Types)

Java数据类型包含基本数据类型和引用数据类型，此处不想过多介绍，使用下图描述虚拟机数据类型家族中的成员 :

图5-4 Java虚拟机的数据类型

4.1 虚拟机中的基本数据类型

所有编程语言中的基本数据类型对虚拟机也是基本数据类型。尽管boolean是一个基本数据类型，但是指令集对它的支持非常有限。当编译器把java源代码编译成二进制代码的时候，会把它转化成int或者byte来表示true-1 false -0； 使用boolean的操作符用int; boolean数组被编译为byte[].

Java语言中出了boolean以外的数据类型，在虚拟机中使用numeric types来表示。Numeric type包含两种：
（1） integral types: byte, short, int, long, and char
（2） floating- point types: float and double

Java虚拟机和Java语言中同一个数据类型具有相同的范围，比如一个long在虚拟机中是64-bit的有符号补码。

Note ： Java虚拟机还有一个特殊的基本数据类型：returnAddress type。用来补充finally子句的。

4.2虚拟机中的引用类型

虚拟机中的引用类型名称为reference。引用类型的值有3种： class type，interface type, 和the array type。所有这三种类型都设计到动态对象的创建。Class type的值指向class实例，array type的值指向array, interface type的值指向interface的实现类的实例。

Note:还有一种引用值是null,表示一个引用没有指向任何实例。

Java虚拟机规范定义了每种数据类型的范围，但是并没有定义他们的大小。下图展示了每种数据类型的范围。

Java虚拟机数据类型范围

五 字大小
Java虚拟机中最基本的数值单元是字。字必须足够大来表示byte, short, int, char, float, returnaddress 和 reference。 两个字必须足够大来表示long和double。通常选择一个字的大小为32位。

六 Class Loader 系统

Java虚拟机包含两种class loader：a bootstrap class loader 和user-defined class loaders。

Bootstrap class loader是虚拟机实现的一部分，user-defined class loaders是Java应用的一部分。不同的classloader把类加载到虚拟机不同的命名空间(name space)上。

Classloader子系统涉及到许多其它虚拟机部分和许多来自于java.lang library的类。比方说用户自定义的classloader通常会继承自java.lang.ClassLoader类。ClassLoader中的方法允许Java应用访问虚拟机中类加载机制。同时在任何类型的虚拟机中可以创建java.lang.Class的实例来代表类型信息。和其它对象一样class对象也存储在堆上。

6.1 类加载(loading)，连接(linking) 和初始化(Initialization)

class loader子系统不光需要定位和导入二进制数据，还需要对数据进行校验，初始化内存等。
（1） Loading: 为一个Type找到并且导入二进制数据
（2） Linking: 执行校验（verification），准备（preparation）和转换（resolution）
a. verification: 确保类型正确
b. Preparation:为类中的变量开辟空间，将内存中的数据初始化到默认值
c. Resolution: 将符号引用转变为直接引用
（3） Initialization:调用Java代码初始化类变量

6.2 Bootstrap Class Loader

Java虚拟机的实现必须要能够加载类和接口的二进制文件，这些文件被严格按照一定的格式定义。在早期的Java 虚拟机（Sun’s 1.1 JDK）实现中，虚拟机会以环境变量下的CLASSPATH作为class文件的根路径，然后再按照子路径去找。在JDK1.2中做了修改，自动添加了用户自定义classloader。

6.3 用户自定义classloader(User-Defined Class Loaders)

尽管用户可以定义自己的classloader， 但是只能通过ClassLoader下面的几个方法：

// Four of the methods declared in class java.lang.ClassLoader:protected final Class defineClass(String name, byte data[],    int offset, int length);protected final Class defineClass(String name, byte data[],    int offset, int length, ProtectionDomain protectionDomain);protected final Class findSystemClass(String name);protected final void resolveClass(Class c);