浅析JVM

概述

JVM是Java Virtual Machine的缩写，即Java的虚拟机。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。为了可以能好的理解更好的了解这个虚构出来的计算机，我们可以先看看真实的计算机。

    下图是微型计算机的基本结构：

    

如上图所示，一个真正的计算机需要这样几个设备：I/O，运算器，存储器，控制器。

I/O：在控制器的控制下，完成输入和输出的任务；

运算器：在控制器的控制下，从存储器中得到数据和指令然后进行运算，最后将结果保存在存储器中；

控制器：控制整个计算器的行为；

 

    可以参考最简单的51单片机来看看其如何实现一个简单计算机：

    

原理很简单，但这里提到51单片机只是为了，我们可以更好的理解虚拟机需要虚拟什么功能。

                  

    简单的说JVM包涵如下功能模块：

1.  一套字节码指令集；

2.  JVM寄存器

3.  JVM栈结构

4.  JVM碎片回收堆

5.  JVM存储方法域

    下面将分别介绍这些功能模块。

字节码指令集

 

JVM指令系统同其他计算机的指令系统极其相似。即可以想象成Java的汇编语言。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。当长度大于8位时，操作数被分为两个以上字节存放。操作码用于指定一条指令操作的性质。

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，目前已使用了160多种操作码。

这和51单片机中的指令寄存器是同样的功能。

寄存器

 

所有的计算机的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。JVM有4个最为常用的寄存器。

1.   pc程序计数器 　　

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 　　

所有寄存器均为32位。pc用于记录程序的执行。optop,frame和vars用于记录指向Java栈区的指针。

这和51单片机中的程序计数器和堆栈指针完成相似的功能，即保存和记录运行程序的一系列资源和环境。

 

栈结构

 

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 　　

2.   执行环境 　　

3.   操作数栈 　　

局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。vars寄存器指向该变量表中的第一个局部变量。

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。它们是：上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。执行环境是一个执行一个方法的控制中心。

当解释器要执行iadd（整数加法），首先要从frame寄存器中找到当前执行环境，而后便从执行环境中找到操作数栈，从栈顶弹出两个整数进行加法运算，最后将结果压入栈顶。

将寄存器的数据放入这个栈结构中，然后完成Java的运算功能，和51单片机中的运算器是一样的功能。

 

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。

      对于这个JVM 的GC过程是比较复杂的过程，以后进一步说明。

 

JVM存储区

 

      JVM有两类存储区：

1.    常量缓冲池：存储类名称、方法和字段名称以及串常量；

2.    方法区：存储Java方法的字节码

所以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。

 

 

 

 

如下图是运行一次Java程序的一个简单流程：

主要参考

http://baike.baidu.com/view/160708.htm