Java虚拟机及JVM体系结构

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jvm(java 虚拟机)

java虚拟机,java源文件(.java)通过编译器生成字节码文件(.class),字节码文件(.class)通过jvm(java虚拟机)中的解释器再翻译成特定机器上的机器码。

编译程序只需要面向虚拟机,生成虚拟机能够理解的代码,然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。

每一种平台的解释器是不同的,但是实现的虚拟机是相同的。

java源程序经过编译器编译后变成字节码,字节码由虚拟机解释执行,虚拟机将每一条要执行的字节码送给解释器,解释器将其翻译成特定机器上的机器码,然后在特定的机器上运行。

jvm体系结构

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:

jvm的每个实例都有一个它自己的方法域和一个堆,运行于jvm内的所有的线程都共享这些区域;当虚拟机装载类文件的时候,它解析其中的二进制数据所包含的类信息,并把它们放到方法域中;当程序运行的时候,jvm把程序初始化的所有对象置于堆上;而每个线程创建的时候,都会拥有自己的程序计数器和java栈,其中程序计数器中的值指向下一条即将被执行的指令,线程的java栈则存储为该线程调用java方法的状态;本地方法调用的状态被存储在本地方法栈,该方法栈依赖于具体的实现。

(1)类装载子系统

装载连接初始化

(2)方法区。被所有线程共享。垃圾收集也会清理方法区中的无用类型对象。

a. 类型信息。类加载器加载类时,从类文件中提取出来。

类的完整有效名

父类的完整有效名(interface and java.lang.object 除外,因为无父类)

类型的修饰符

类型直接接口列表

b. 常量池。存储了一个类型所使用的常量所有类型、域和方法的符号引用。

c. 域信息。jvm必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序,域的相关信息包括:域名域类型域修饰符(public private protected static final volatile transient…)

d.方法信息。

方法名

方法返回类型

方法参数

方法的修饰符

方法的字节码(abstract and native 除外)(被pc寄存器指向)

操作数栈和方法栈帧的局部变量区的大小

异常表

e. 类的静态变量(所有对象共享一分拷贝)

f. 类的被声明为final的类变量(所有对象共享一分拷贝)

g. 加载一个类的类加载器的引用

h. class类的引用

i. 方法表。

j. 一个例子:

class lava {

private int speed = 5;

void flow();

}

class volcano {

public static void main(string[] args) {

lava lava = new lava();

lava.flow();

}

}

下面我们描述一下main()方法的第一条指令的字节码是如何被执行 的。不同的jvm实现的差别很大,这里只是其中之一。

为了运行这个程序,你以某种方式把“volcano"传给了jvm。有了 这个名字,jvm找到了这个类文件(volcano.class)并读入,它从 类文件提取了类型信息并放在了方法区中,通过解析存在方法区中的 字节码,jvm激活了main()方法,在执行时,jvm保持了一个指向当前 类(volcano)常量池的指针。

注意jvm在还没有加载lava类的时候就已经开始执行了。正像大多数的 jvm一样,不会等所有类都加载了以后才开始执行,它只会在需要的时候 才加载。

main()的第一条指令告知jvm为列在常量池第一项的类分配足够的内存。 jvm使用指向volcano常量池的指针找到第一项,发现是一个对lava类 的符号引用,然后它就检查方法区看lava是否已经被加载了。

这个符号引用仅仅是类lava的完整有效名”lava“。这里我们看到为了jvm 能尽快从一个名称找到一个类,一个良好的数据结构是多么重要。这里jvm 的实现者可以采用各种方法,如hash表,查找树等等。同样的算法可以用于 class类的forname()的实现。

当jvm发现还没有加载过一个称为"lava"的类,它就开始查找并加载类 文件"lava.class"。它从类文件中抽取类型信息并放在了方法区中。

jvm于是以一个直接指向方法区lava类的指针替换了常量池第一项的符号 引用。以后就可以用这个指针快速的找到lava类了。而这个替换过程称为 常量池解析(constant pool resolution)。在这里我们替换的是一个 native指针。

jvm终于开始为新的lava对象分配空间了。这次,jvm仍然需要方法区中 的信息。它使用指向lava数据的指针(刚才指向volcano常量池第一项的指针) 找到一个lava对象究竟需要多少空间。

一旦jvm知道了一个lava对象所要的空间,它就在堆上分配这个空间并把这个实例的变量speed初始化为缺省值0。假如lava的父对象也有实例变量,则也会初始化。

当把新生成的lava对象的引用压到栈中,第一条指令也结束了。下面的指令利用这个引用激活java代码把speed变量设为初始值,5。另外一条指令会用这个引用激活 lava对象的flow()方法。

(3)堆。存放运行时所有 对象 和 数组。

(4)栈。每次启动一个新的线程,就会被分配一个栈。

(5)pc 寄存器 ( 程序计数器 )

总是指向该线程下一步要执行的指令。指令的位置放在方法区的方法字节码中。内容是相对于第一个指令的偏移量。

(6)本地方法栈。

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