Java虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)
本文向大家簡(jiǎn)單介紹一下Java虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)，Java虛擬機(jī)由五個(gè)部分組成，這五部分是Java虛擬機(jī)的邏輯成份,不依賴(lài)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)。
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(wú)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(lài)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(yǔ)言?！ ?/p>
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(méi)有操作數(shù),僅由一個(gè)單字節(jié)的操作符構(gòu)成?！ ?/p>
Java虛擬機(jī)的內(nèi)層循環(huán)的執(zhí)行過(guò)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(dòng)作;
- }while(程序未結(jié)束)
由于指令系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性,使得Java虛擬機(jī)執(zhí)行的過(guò)程十分簡(jiǎn)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(chǔ)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:
***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(duì)齊的。指令tabltch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(duì)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(zhuān)用寄存器類(lèi)似?！ ?/p>
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?！ ?/p>
◆vars:指向當(dāng)前執(zhí)行方法的局部變量區(qū)***個(gè)變量的指針。#p#
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(lái)尋址。局部變量都是32位的。長(zhǎng)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***個(gè)局部變量的索引來(lái)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(chǔ)空間。)Java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(duì)齊的。Java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(xiě)入局部變量的指令?！ ?/p>
(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(dòng)態(tài)鏈接,正常的方法返回以及異常傳播?！ ?/p>
◆動(dòng)態(tài)鏈接
運(yùn)行環(huán)境包括對(duì)指向當(dāng)前類(lèi)和當(dāng)前方法的解釋器符號(hào)表的指針,用于支持方法代碼的動(dòng)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(wèn)的變量時(shí)使用符號(hào)。動(dòng)態(tài)鏈接把符號(hào)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(lèi)以解釋還沒(méi)有定義的符號(hào),并把變量訪問(wèn)翻譯成與這些變量運(yùn)行時(shí)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的偏移地址。動(dòng)態(tài)鏈接方法和變量使得方法中使用的其它類(lèi)的變化不會(huì)影響到本程序的代碼?！ ?/p>
◆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(lèi)型的返回指令時(shí),調(diào)用的方法會(huì)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(guò)已執(zhí)行過(guò)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(chēng)作Error(錯(cuò)誤)或Exception(異常),是Throwable類(lèi)的子類(lèi),在程序中的原因是:
①動(dòng)態(tài)鏈接錯(cuò),如無(wú)法找到所需的class文件。
②運(yùn)行時(shí)錯(cuò),如對(duì)一個(gè)空指針的引用
◆程序使用了throw語(yǔ)句?！ ?/p>
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(lèi)型,以及處理異常的代碼塊地址?！ ?/p>
◆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(lèi)型是其能處理的異常類(lèi)型的子類(lèi)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(méi)有找到異常處理塊,重復(fù)尋找匹配的catch子句的過(guò)程,直到當(dāng)前方法的所有嵌套的catch子句都被檢查過(guò)?！ ?/p>
◆由于Java虛擬機(jī)從***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(duì)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?！ ?/p>
◆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(méi)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(duì)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Java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?！ ?/p>
每個(gè)原始數(shù)據(jù)類(lèi)型都有專(zhuān)門(mén)的指令對(duì)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(chǔ)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(lèi)型的操作符所操作。例如,壓入兩個(gè)int類(lèi)型的數(shù),如果把它們當(dāng)作是一個(gè)long類(lèi)型的數(shù)則是非法的。在Sun的Java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(duì)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行操作時(shí)是不考慮類(lèi)型的。
4.無(wú)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(lèi)的實(shí)例(對(duì)象)從中分配空間。Java語(yǔ)言具有無(wú)用單元收集能力:它不給程序員顯式釋放對(duì)象的能力。Java不規(guī)定具體使用的無(wú)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(yǔ)言中的編譯后代碼或是Unix進(jìn)程中的正文段類(lèi)似。它保存方法代碼(編譯后的java代碼)和符號(hào)表。在當(dāng)前的Java實(shí)現(xiàn)中,方法代碼不包括在無(wú)用單元收集堆中,但計(jì)劃在將來(lái)的版本中實(shí)現(xiàn)。每個(gè)類(lèi)文件包含了一個(gè)Java類(lèi)或一個(gè)Java界面的編譯后的代碼?？梢哉f(shuō)類(lèi)文件是Java語(yǔ)言的執(zhí)行代碼文件。為了保證類(lèi)文件的平臺(tái)無(wú)關(guān)性,Java虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)類(lèi)文件的格式也作了詳細(xì)的說(shuō)明。其具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參考Sun公司的Java虛擬機(jī)規(guī)范。
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