《Java虚拟机》word版.doc

Java虚拟机总结：Java虚拟机由五个部分组成：一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。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；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。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。搜索资料一一、什么是Java虚拟机Java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虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。1.为什么要使用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语言使用模式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。2.谁需要了解Java虚拟机Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外,如果你想扩展Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地了解Java虚拟机。3.Java虚拟机支持的数据类型Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下：byte：/1字节有符号整数的补码short：/2字节有符号整数的补码int：/4字节有符号整数的补码long：/8字节有符号整数的补码float：/4字节IEEE754单精度浮点数double：/8字节IEEE754双精度浮点数char：/2字节无符号Unicode字符几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。*作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了*作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其*作数类型别是int、long、float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令,包括integer返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行Java数值计算程序时,可能会非常慢。虚拟机支持的其它数据类型包括：object/对一个Javaobject(对象)的4字节引用returnAddress/4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令注：Java数组被当作object处理。虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针：一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可移植性。二、Java虚拟机体系结构Java虚拟机由五个部分组成：一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。1.Java指令集Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。Java指令集中的指令包含一个单字节的*作符,用于指定要执行的*作,还有0个或多个*作数,提供*作所需的参数或数据。许多指令没有*作数,仅由一个单字节的*作符构成。虚拟机的内层循环的执行过程如下：do取一个*作符字节；根据*作符的值执行一个动作；while(程序未结束)由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中*作数的数量和大小是由*作符决定的。如果*作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为：第一个字节*256+第二个字节字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tableswitch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。2.寄存器Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。Java虚拟机的寄存器有四种：pc：Java程序计数器。optop：指向*作数栈顶端的指针。frame：指向当前执行方法的执行环境的指针。vars：指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。Java虚拟机Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。所有寄存器都是32位的。3.栈Java虚拟机的栈有三个区域：局部变量区、运行环境区、*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*作数栈的指令,也提供了把*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传播。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。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。异常和错误传播异常情况在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：动态链接错,如无法找到所需的class文件。运行时错,如对一个空指针的引用程序使用了throw语句。当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施：检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件：造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行；如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的catch子句都被检查过。由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个未截获异常的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。(3)*作数栈区机器指令只从*作数栈中取*作数,对它们进行*作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是：在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。*作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持*作的参数,并保存*作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是*作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相加,并把结果压回到*作数栈中。每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的*作。每个*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。*作数只能被适用于其类型的*作符所*作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数*作(*作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行*作时是不考虑类型的。4.无用单元收集堆Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集能力：它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。5.方法区方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中,方法代码不包括在无用单元收集堆中,但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范。搜索资料2一、什么是Java虚拟机Java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虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。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。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。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。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。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18章的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。Java虚拟机规范只定义了每一种数据类型表示的范围，没有定义在存储时每种类型占用的空间。他们如何存储由Java虚拟机的实现者自己决定。关于浮点型更多信息参见14章Floating Point Arithmetic。TypeRange byte8-bit signed twos complement integer(-27 to 27-1,inclusive)short16-bit signed twos complement integer(-215 to 215-1,inclusive)int32-bit signed twos complement integer(-231 to 231-1,inclusive)long64-bit signed twos complement integer(-263 to 263-1,inclusive)char16-bit unsigned Unicode character(0 to 216-1,inclusive)float32-bit IEEE 754 single-precision float double64-bit IEEE 754 double-precision float returnValueaddress of an opcode within the same method referencereference to an object on the heap,or null五、字节长度Java虚拟机中最小的数据单元式字(word)，其大小由Java虚拟机的实现者定义。但是一个字的大小必须足够容纳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。六、类加载器子系统Java虚拟机中的类加载器分为两种：原始类加载器(primordial class loader)和类加载器对象(class loader objects)。原始类加载器是Java虚拟机实现的一部分，类加载器对象是运行中的程序的一部分。不同类加载器加载的类被不同的命名空间所分割。类加载器调用了许多Java虚拟机中其他的部分和java.lang包中的很多类。比如，类加载对象就是java.lang.ClassLoader子类的实例，ClassLoader类中的方法可以访问虚拟机中的类加载机制；每一个被Java虚拟机加载的类都会被表示为一个java.lang.Class类的实例。像其他对象一样，类加载器对象和Class对象都保存在堆中，被加载的信息被保存在方法区中。1、加载、连接、初始化(Loading,Linking and Initialization)类加载子系统不仅仅负责定位并加载类文件，他按照以下严格的步骤作了很多其他的事情：(具体的信息参见第七章的类的生命周期)1)、加载：寻找并导入指定类型(类和接口)的二进制信息2)、连接：进行验证、准备和解析验证：确保导入类型的正确性准备：为类型分配内存并初始化为默认值解析：将字符引用解析为直接饮用3)、初始化：调用Java代码，初始化类变量为合适的值2、原始类加载器(The Primordial Class Loader)每个Java虚拟机都必须实现一个原始类加载器，他能够加载那些遵守类文件格式并且被信任的类。但是，Java虚拟机的规范并没有定义如何加载类，这由Java虚拟机实现者自己决定。对于给定类型名的类型，原始莱加载器必须找到那个类型名加.class的文件并加载入虚拟机中。3、类加载器对象虽然类加载器对象是Java程序的一部分，但是ClassLoader类中的三个方法可以访问Java虚拟机中的类加载子系统。1)、protected final Class defineClass()：使用这个方法可以出入一个字节数组，定义一个新的类型。2)、protected Class findSystemClass(String name)：加载指定的类，如果已经加载，就直接返回。3)、protected final void resolveClass(Class c)：defineClass()方法只是加载一个类，这个方法负责后续的动态连接和初始化。4、命名空间当多个类加载器加载了同一个类时，为了保证他们名字的唯一性，需要在类名前加上加载该类的类加载器的标识。七、方法区(The Method Area)在Java虚拟机中，被加载类型的信息都保存在方法区中。这写信息在内存中的组织形式由虚拟机的实现者定义，比如，虚拟机工作在一个little-endian的处理器上，他就可以将信息保存为little-endian格式的，虽然在Java类文件中他们是以big-endian格式保存的。设计者可以用最适合并地机器的表示格式来存储数据，以保证程序能够以最快的速度执行。但是，在一个只有很小内存的设备上，虚拟机的实现者就不会占用很大的内存。程序中的所有线程共享一个方法区，所以访问方法区信息的方法必须是线程安全的。如果你有两个线程都去加载一个叫Lava的类，那只能由一个线程被容许去加载这个类，另一个必须等待。在程序运行时，方法区的大小是可变的，程序在运行时可以扩展。有些Java虚拟机的实现也可以通过参数也订制方法区的初始大小，最小值和最大值。方法区也可以被垃圾收集。因为程序中的内由类加载器动态加载，所有类可能变成没有被引用(unreferenced)的状态。当类变成这种状态时，他就可能被垃圾收集掉。没有加载的类包括两种状态，一种是真正的没有加载，另一个种是unreferenced的状态。详细信息参见第七章的类的生命周期(The Lifetime of aClass)。1、类型信息(Type Information)每一个被加载的类型，在Java虚拟机中都会在方法区中保存如下信息：1)、类型的全名(The fully qualified name of the type)2)、类型的父类型的全名(除非没有父类型，或者弗雷形式java.lang.Object)(The fully qualified name of the types direct superclass)3)、给类型是一个类还是接口(class or an interface)(Whether or not the type is aclass)4)、类型的修饰符(public，private，protected，static，final，volatile，transient等)(The types modifiers)5)、所有父接口全名的列表(An ordered list of the fully qualified names of any direct superinterfaces)类型全名保存的数据结构由虚拟机实现者定义。除此之外，Java虚拟机还要为每个类型保存如下信息：1)、类型的常量池(The constant pool for the type)2)、类型字段的信息(Field information)3)、类型方法的信息(Method information)4)、所有的静态类变量(非常量)信息(All class(static)variables declared in the type,except constants)5)、一个指向类加载器的引用(A reference to class ClassLoader)6)、一个指向Class类的引用(A reference to class Class)1)、类型的常量池(The constant pool for the type)常量池中保存中所有类型是用的有序的常量集合，包含直接常量(literals)如字符串、整数、浮点数的常量，和对类型、字段、方法的符号引用。常量池中每一个保存的常量都有一个索引，就像数组中的字段一样。因为常量池中保存中所有类型使用到的类型、字段、方法的字符引用，所以它也是动态连接的主要对象。2)、类型字段的信息(Field information)字段名、字段类型、字段的修饰符(public，private，protected，static，final，volatile，transient等)、字段在类中定义的顺序。3)、类型方法的信息(Method information)方法名、方法的返回值类型(或者是void)、方法参数的个数、类型和他们的顺序、字段的修饰符(public，private，protected，static，final，volatile，transient等)、方法在类中定义的顺序如果不是抽象和本地本法还需要保存方法的字节码、方法的操作数堆栈的大小和本地变量区的大小(稍候有详细信息)、异常列表(详细信息参见第十七章Exceptions。)4)、类(静态)变量(Class Variables)类变量被所有类的实例共享，即使不通过类的实例也可以访问。这些变量绑定在类上(而不是类的实例上)，所以他们是类的逻辑数据的一部分。在Java虚拟机使用这个类之前就需要为类变量(non-final)分配内存常量(final)的处理方式于这种类变量(non-final)不一样。每一个类型在用到一个常量的时候，都会复制一份到自己的常量池中。常量也像类变量一样保存在方法区中，只不过他保存在常量池中。(可能是，类变量被所有实例共享，而常量池是每个实例独有的)。Non-final类变量保存为定义他的类型数据(data for the type that declares them)的一部分，而final常量保存为使用他的类型数据(data for any type that uses them)的一部分。5)、指向类加载器的引用(A reference to class ClassLoader)每一个被Jav