深入理解Java虚拟机 理解平台无关性

Posted 2020-09-02 拾光者2013

Write Once Run Anywhere，一次编写多处运行

一、Java的运行机制

　　如下图所示，Java上层应用程序对平台不透明，采用通用的java编译器将java源程序编译成为与平台无关的字节码文件（class文件），而在运行时由java虚拟机（JVM）对字节码文件解释执行，即Java字节码具有平台无关性，在Java生态体系中的语言，例如android、Scala等，只要能按照Java的规则编译字节码文件，就能被识别来运行。而多处运行的前提是需要有不同版本的java虚拟机，不同系统平台的java运行环境其java虚拟机是不一样的。class文件由JVM(Java虚拟机)中的classLoader（类加载器）加载，解释器将其翻译成特定平台环境的机器指令并执行。

　　　　 

　　下图是Java程序具体的运行过程：

　　　　

 

　　一般情况下，class文件中的字节码由Java解释器解释成机器能识别运行的命令，而即时编译器的作用是将运行中的“热点位置”，即频繁执行的命令编译成本地机器码，供后续再次执行时快速执行。

 

二、平台体系架构

1、冯·诺依曼体系

 

　　如图，该体系的设备有以下特点：

• 必须有一个存储器、一个控制器和一个运算器
• 必须有输入和输出设备，用于人机通信
• 只有一个存储器，指令和数据存储在相同的内存空间，但存储地址不同
• 处理器利用相同的总线处理内存中的指令和数据，指令和数据具有相同的数据宽度，指令和数据无法同时存取

优点：

• 将指令当做data，可以修改指令值，方便软件升级
• data区和指令区共用memory，方便data区和指令区大小灵活调整
• 提高memory利用效率
• 总线和控制相对简单，成本低
• 对外围设备要求相对较低，只需要一个memory

缺点：

• 同一条总线分时复用，读取指令时不能操作data，不能走流水线
• 前一条指令执行阶段进行后，下一条才能取址。（取址、译码、执行）

2、哈佛体系

　　如图，哈佛体系的设备有如下特点：

• 使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；
• 使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联；
• 取指令和存取数据可同时进行，微处理器具有较高的执行效率;
• 提供了较大的存储器带宽;
• 适合于数字信号处理,大多数DSP都是哈佛结构.

优点：

• 执行指令效率高，流水线模式；
• 前一条指令译码的时候，第二条取指；
• 第二条译码，第三条取指。

缺点：

• 很难操作修改指令，软件不好升级；
• 指令区和data区独立，这样Memory利用效率不高，如果程序频繁变动的话；
• Bus多成本高，对外设要求高。

冯诺依曼是很适合作为PC这样的机型，哈佛结构比较适合任务单调但需要高速率执行的CPU。

 

 三、指令集分类

　　指令集分为复杂指令集CISC、精简指令集RISC和显式并行指令集EPIC。

　　

　　

　　通常我们讨论时拿CISC和RISC来讲解。

　　精简指令集RISC的指令系统相对简单，硬件只执行有限且常用的指令，大多数复杂的指令则依赖于成熟的编译技术，由简单指令合成。目前一些高端计算机采用精简指令集架构，比如IBM的Power系列，HP的Alpha系列和PA-RISC系列，SUN的UltraSPARC系列。采用哈佛总线结构，单周期执行指令，可以实现高效的流水线操作，面向高级语言。

　　复杂指令集CISC，程序各条指令按顺序串行执行，这样控制比较简单，但计算机各部分利用率较低，指令不等长、指令条数多，因此编程和设计处理器时都比较麻烦。但基于CISC设计的软件应用已非常普遍，所以微处理器一直都在走CISC的发展之路。CISC的服务器主要以英特尔架构的服务器为主，通常所说的x86平台就是CISC架构。

　　　　

 

 四、大尾端和小尾端

　　大尾端和小尾端就是我们通常所说的“大小端”问题，小尾端指的是数据的低位存储在低地址，高位存储在高地址，而大尾端指的是数据的低位存储在高地址，高位存储在低地址。

　　如图所示：