Java虛擬機(jī)概念及體系結(jié)構(gòu)
一、什么是Java虛擬機(jī)
Java虛擬機(jī)是一個(gè)想象中的機(jī)器,在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上通過軟件模擬來實(shí)現(xiàn)。Java虛擬機(jī)有自己想象中的硬件,如處理器、堆棧、寄存器等,還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。
1.為什么要使用Java虛擬機(jī)
Java語言的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是與平臺的無關(guān)性。而使用Java虛擬機(jī)是實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的關(guān)鍵。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運(yùn)行,至少需要編譯成不同的目標(biāo)代碼。而引入Java語言虛擬機(jī)后,Java語言在不同平臺上運(yùn)行時(shí)不需要重新編譯。Java語言使用模式Java虛擬機(jī)屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息,使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼(字節(jié)碼),就可以在多種平臺上不加修改地運(yùn)行。Java虛擬機(jī)在執(zhí)行字節(jié)碼時(shí),把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機(jī)器指令執(zhí)行。
2.誰需要了解Java虛擬機(jī)
Java虛擬機(jī)是Java語言底層實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),對Java語言感興趣的人都應(yīng)對Java虛擬機(jī)有個(gè)大概的了解。這有助于理解Java語言的一些性質(zhì),也有助于使用Java語言。對于要在特定平臺上實(shí)現(xiàn)Java虛擬機(jī)的軟件人員,Java語言的編譯器作者以及要用硬件芯片實(shí)現(xiàn)Java虛擬機(jī)的人來說,則必須深刻理解Java虛擬機(jī)的規(guī)范。另外,如果你想擴(kuò)展Java語言,或是把其它語言編譯成Java語言的字節(jié)碼,你也需要深入地了解Java虛擬機(jī)。
3.Java虛擬機(jī)支持的數(shù)據(jù)類型
Java虛擬機(jī)支持Java語言的基本數(shù)據(jù)類型如下:
◆byte://1字節(jié)有符號整數(shù)的補(bǔ)碼
◆short://2字節(jié)有符號整數(shù)的補(bǔ)碼
◆int://4字節(jié)有符號整數(shù)的補(bǔ)碼
◆long://8字節(jié)有符號整數(shù)的補(bǔ)碼
◆float://4字節(jié)IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)
◆double://8字節(jié)IEEE754雙精度浮點(diǎn)數(shù)
◆char://2字節(jié)無符號Unicode字符
幾乎所有的Java類型檢查都是在編譯時(shí)完成的。上面列出的原始數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)在Java執(zhí)行時(shí)不需要用硬件標(biāo)記。操作這些原始數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的字節(jié)碼(指令)本身就已經(jīng)指出了操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把兩個(gè)數(shù)相加,其操作數(shù)類型別是int、long、float和double。虛擬機(jī)沒有給boolean(布爾)類型設(shè)置單獨(dú)的指令。boolean型的數(shù)據(jù)是由integer指令,包括integer返回來處理的。boolean型的數(shù)組則是用byte數(shù)組來處理的。虛擬機(jī)使用IEEE754格式的浮點(diǎn)數(shù)。不支持IEEE格式的較舊的計(jì)算機(jī),在運(yùn)行Java數(shù)值計(jì)算程序時(shí),可能會非常慢。
虛擬機(jī)支持的其它數(shù)據(jù)類型包括:
◆object//對一個(gè)Javaobject(對象)的4字節(jié)引用
◆returnAddress//4字節(jié),用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令
注:Java數(shù)組被當(dāng)作object處理。
虛擬機(jī)的規(guī)范對于object內(nèi)部的結(jié)構(gòu)沒有任何特殊的要求。在Sun公司的實(shí)現(xiàn)中,對object的引用是一個(gè)句柄,其中包含一對指針:一個(gè)指針指向該object的方法表,另一個(gè)指向該object的數(shù)據(jù)。用Java虛擬機(jī)的字節(jié)碼表示的程序應(yīng)該遵守類型規(guī)定。Java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)拒絕執(zhí)行違反了類型規(guī)定的字節(jié)碼程序。Java虛擬機(jī)由于字節(jié)碼定義的限制似乎只能運(yùn)行于32位地址空間的機(jī)器上。但是可以創(chuàng)建一個(gè)Java虛擬機(jī),它自動地把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成64位的形式。從Java虛擬機(jī)支持的數(shù)據(jù)類型可以看出,Java對數(shù)據(jù)類型的內(nèi)部格式進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定,這樣使得各種Java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的解釋是相同的,從而保證了Java的與平臺無關(guān)性和可
移植性。
二、Java虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)
Java虛擬機(jī)由五個(gè)部分組成:一組指令集、一組寄存器、一個(gè)棧、一個(gè)無用單元收集堆(Garbage-collected-heap)、一個(gè)方法區(qū)域。這五部分是Java虛擬機(jī)的邏輯成份,不依賴任何實(shí)現(xiàn)技術(shù)或組織方式,但它們的功能必須在真實(shí)機(jī)器上以某種方式實(shí)現(xiàn)。
1.Java指令集
Java虛擬機(jī)支持大約248個(gè)字節(jié)碼。每個(gè)字節(jié)碼執(zhí)行一種基本的CPU運(yùn)算,例如,把一個(gè)整數(shù)加到寄存器,子程序轉(zhuǎn)移等。Java指令集相當(dāng)于Java程序的匯編語言。
Java指令集中的指令包含一個(gè)單字節(jié)的操作符,用于指定要執(zhí)行的操作,還有0個(gè)或多個(gè)操作數(shù),提供操作所需的參數(shù)或數(shù)據(jù)。許多指令沒有操作數(shù),僅由一個(gè)單字節(jié)的操作符構(gòu)成。#p#
虛擬機(jī)的內(nèi)層循環(huán)的執(zhí)行過程如下:
do{
取一個(gè)操作符字節(jié);
根據(jù)操作符的值執(zhí)行一個(gè)動作;
}while(程序未結(jié)束)
由于指令系統(tǒng)的簡單性,使得虛擬機(jī)執(zhí)行的過程十分簡單,從而有利于提高執(zhí)行的效率。指令中操作數(shù)的數(shù)量和大小是由操作符決定的。如果操作數(shù)比一個(gè)字節(jié)大,那么它存儲的順序是高位字節(jié)優(yōu)先。例如,一個(gè)16位的參數(shù)存放時(shí)占用兩個(gè)字節(jié),其值為:
第一個(gè)字節(jié)*256+第二個(gè)字節(jié)字節(jié)碼指令流一般只是字節(jié)對齊的。指令tableswitch和lookup是例外,在這兩條指令內(nèi)部要求強(qiáng)制的4字節(jié)邊界對齊。
2.寄存器
Java虛擬機(jī)的寄存器用于保存機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài),與微處理器中的某些專用寄存器類似。
Java虛擬機(jī)的寄存器有四種:
◆pc:Java程序計(jì)數(shù)器。
◆optop:指向操作數(shù)棧頂端的指針。
◆frame:指向當(dāng)前執(zhí)行方法的執(zhí)行環(huán)境的指針。
◆vars:指向當(dāng)前執(zhí)行方法的局部變量區(qū)第一個(gè)變量的指針。
Java虛擬機(jī)
Java虛擬機(jī)是棧式的,它不定義或使用寄存器來傳遞或接受參數(shù),其目的是為了保證指令集的簡潔性和實(shí)現(xiàn)時(shí)的高效性(特別是對于寄存器數(shù)目不多的處理器)。
所有寄存器都是32位的。
3.棧
Java虛擬機(jī)的棧有三個(gè)區(qū)域:局部變量區(qū)、運(yùn)行環(huán)境區(qū)、操作數(shù)區(qū)。
(1)局部變量區(qū) 每個(gè)Java方法使用一個(gè)固定大小的局部變量集。它們按照與vars寄存器的字偏移量來尋址。局部變量都是32位的。長整數(shù)和雙精度浮點(diǎn)數(shù)占據(jù)了兩個(gè)局部變量的空間,卻按照第一個(gè)局部變量的索引來尋址。(例如,一個(gè)具有索引n的局部變量,如果是一個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù),那么它實(shí)際占據(jù)了索引n和n+1所代表的存儲空間。)虛擬機(jī)規(guī)范并不要求在局部變量中的64位的值是64位對齊的。虛擬機(jī)提供了把局部變量中的值裝載到操作數(shù)棧的指令,也提供了把操作數(shù)棧中的值寫入局部變量的指令。
(2)運(yùn)行環(huán)境區(qū) 在運(yùn)行環(huán)境中包含的信息用于動態(tài)鏈接,正常的方法返回以及異常傳播。
◆動態(tài)鏈接
運(yùn)行環(huán)境包括對指向當(dāng)前類和當(dāng)前方法的解釋器符號表的指針,用于支持方法代碼的動態(tài)鏈接。方法的class文件代碼在引用要調(diào)用的方法和要訪問的變量時(shí)使用符號。動態(tài)鏈接把符號形式的方法調(diào)用翻譯成實(shí)際方法調(diào)用,裝載必要的類以解釋還沒有定義的符號,并把變量訪問翻譯成與這些變量運(yùn)行時(shí)的存儲結(jié)構(gòu)相應(yīng)的偏移地址。動態(tài)鏈接方法和變量使得方法中使用的其它類的變化不會影響到本程序的代碼。
◆正常的方法返回
如果當(dāng)前方法正常地結(jié)束了,在執(zhí)行了一條具有正確類型的返回指令時(shí),調(diào)用的方法會得到一個(gè)返回值。執(zhí)行環(huán)境在正常返回的情況下用于恢復(fù)調(diào)用者的寄存器,并把調(diào)用者的程序計(jì)數(shù)器增加一個(gè)恰當(dāng)?shù)臄?shù)值,以跳過已執(zhí)行過的方法調(diào)用指令,然后在調(diào)用者的執(zhí)行環(huán)境中繼續(xù)執(zhí)行下去。
◆異常和錯(cuò)誤傳播
異常情況在Java中被稱作Error(錯(cuò)誤)或Exception(異常),是Throwable類的子類,在程序中的原因是:①動態(tài)鏈接錯(cuò),如無法找到所需的class文件。②運(yùn)行時(shí)錯(cuò),如對一個(gè)空指針的引用
·程序使用了throw語句。
當(dāng)異常發(fā)生時(shí),Java虛擬機(jī)采取如下措施:
·檢查與當(dāng)前方法相聯(lián)系的catch子句表。每個(gè)catch子句包含其有效指令范圍,能夠處理的異常類型,以及處理異常的代碼塊地址。
·與異常相匹配的catch子句應(yīng)該符合下面的條件:造成異常的指令在其指令范圍之內(nèi),發(fā)生的異常類型是其能處理的異常類型的子類型。如果找到了匹配的catch子句,那么系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到指定的異常處理塊處執(zhí)行;如果沒有找到異常處理塊,重復(fù)尋找匹配的catch子句的過程,直到當(dāng)前方法的所有嵌套的catch子句都被檢查過。
·由于虛擬機(jī)從第一個(gè)匹配的catch子句處繼續(xù)執(zhí)行,所以catch子句表中的順序是很重要的。因?yàn)镴ava代碼是結(jié)構(gòu)化的,因此總可以把某個(gè)方法的所有的異常處理器都按序排列到一個(gè)表中,對任意可能的程序計(jì)數(shù)器的值,都可以用線性的順序找到合適的異常處理塊,以處理在該程序計(jì)數(shù)器值下發(fā)生的異常情況。
·如果找不到匹配的catch子句,那么當(dāng)前方法得到一個(gè)"未截獲異常"的結(jié)果并返回到當(dāng)前方法的調(diào)用者,好像異常剛剛在其調(diào)用者中發(fā)生一樣。如果在調(diào)用者中仍然沒有找到相應(yīng)的異常處理塊,那么這種錯(cuò)誤傳播將被繼續(xù)下去。如果錯(cuò)誤被傳播到最頂層,那么系統(tǒng)將調(diào)用一個(gè)缺省的異常處理塊。
(3)操作數(shù)棧區(qū) 機(jī)器指令只從操作數(shù)棧中取操作數(shù),對它們進(jìn)行操作,并把結(jié)果返回到棧中。選擇棧結(jié)構(gòu)的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的機(jī)器(如Intel486)上,也能夠高效地模擬虛擬機(jī)的行為。操作數(shù)棧是32位的。它用于給方法傳遞參數(shù),并從方法接收結(jié)果,也用于支持操作的參數(shù),并保存操作的結(jié)果。例如,iadd指令將兩個(gè)整數(shù)相加。相加的兩個(gè)整數(shù)應(yīng)該是操作數(shù)棧頂?shù)膬蓚€(gè)字。這兩個(gè)字是由先前的指令壓進(jìn)堆棧的。這兩個(gè)整數(shù)將從堆棧彈出、相加,并把結(jié)果壓回到操作數(shù)棧中。
每個(gè)原始數(shù)據(jù)類型都有專門的指令對它們進(jìn)行必須的操作。每個(gè)操作數(shù)在棧中需要一個(gè)存儲位置,除了long和double型,它們需要兩個(gè)位置。操作數(shù)只能被適用于其類型的操作符所操作。例如,壓入兩個(gè)int類型的數(shù),如果把它們當(dāng)作是一個(gè)long類型的數(shù)則是非法的。在Sun的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)中,這個(gè)限制由字節(jié)碼驗(yàn)證器強(qiáng)制實(shí)行。但是,有少數(shù)操作(操作符dupe和swap),用于對運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行操作時(shí)是不考慮類型的。
4.無用單元收集堆
Java的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū),類的實(shí)例(對象)從中分配空間。Java語言具有無用單元收集能力:它不給程序員顯式釋放對象的能力。Java不規(guī)定具體使用的無用單元收集算法,可以根據(jù)系統(tǒng)的需求使用各種各樣的算法。
5.方法區(qū)
方法區(qū)與傳統(tǒng)語言中的編譯后代碼或是Unix進(jìn)程中的正文段類似。它保存方法代碼(編譯后的java代碼)和符號表。在當(dāng)前的Java實(shí)現(xiàn)中,方法代碼不包括在無用單元收集堆中,但計(jì)劃在將來的版本中實(shí)現(xiàn)。每個(gè)類文件包含了一個(gè)Java類或一個(gè)Java界面的編譯后的代碼?？梢哉f類文件是Java語言的執(zhí)行代碼文件。為了保證類文件的平臺無關(guān)性,Java虛擬機(jī)規(guī)范中對類文件的格式也作了詳細(xì)的說明。其具體細(xì)節(jié)請參考Sun公司的Java虛擬機(jī)規(guī)范。
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