Java虚拟机
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java虚拟机相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本节内容只包括概念中的虚拟机，不包括具体实现。
什么是虚拟机
虚拟机是模拟执行某种指令集体系结构的软件。可分为三类。（1）进程虚拟机，如java虚拟机。（2）系统虚拟机，如visualbox，vm。（3）协设计虚拟机，如FPGA有人模拟了虚拟机协处理器(包括二进制翻译器以及TCache等部件单元)。
什么是java虚拟机
java虚拟机有多层含义。包括：
（1）一套规范： Java虚拟机规范用于定义概念上Java虚拟机的行为表现。
（2）一种实现：例如HotSpot， J9， JRockit。（a）需要实现JVM规范。（b）但具体实现方式不需要与“概念中”的JVM一样。注意：只有通过JCK测试的才可以合法的称为Java™ VM。
（3）一个运行中的实例，某个JVM实现的某次运行的实例。
只要输入为符合规范的Class文件即可执行。不一定用java语言编写，目前java虚拟机能运行的语言有:Scala、 Clojure、 Groovy、 Fantom、 Fortress、 Nice、 Jython、 JRuby、 Rhino、Ioke、 Jaskell、（ C、 Fortran …)等。
概念中Java虚拟机的基本结构
下面重点关注执行引擎。
Java虚拟机的基本特征
（1）基于栈的体系结构
（2）动态加载程序，运行时根据需要加载class文件。
（3）安全性
（4）自动内存管理
（5）多线程支持
（6）与本地库的交互
Java虚拟机字节码
（1）相当于传统编译器中的中间代码。
（2）基于栈的指令集体系结构。使代码变得紧凑，方便实现高可移植的解释器。
（3）字节码对应Java源代码中的语句与表达式的后缀记法（逆波兰记法）。
（4）指令不定长，在1-4字节间变动。
Java虚拟机字节码设计目标
（1）易于校验（安全性）
（2）易于编译（高性能）
（3）易于解释执行（实现门槛低）
（4）易于移植
（5）包含大量类型信息
Java虚拟机字节码指令类别
（1）局部变量读/写
（2）算术与类型转换
（3）条件/无条件跳转
（4）对象创建和操作
（5）数组创建和操作
（6）方法调用
（7）栈操作（操作数栈）
基于栈不基于寄存器的体系结构的区别
- 保存临时值的位置不同
（1）基于栈：将临时值保存在“求值栈”上
（2）基于寄存器：将临时值保存在寄存器中 - 代码所占的体积不同
（1）基于栈：代码紧凑，体积小，但所需代码条数多
（2）基于寄存器：代码相对大些，但所需代码条数少 - “基于栈”中的“栈”指的是“求值栈”而不是“调用栈”
（1）某些情况下两者是同一个栈
（2）但在JVM中两者是不同的概念
（3）JVM中“求值栈”被称为“操作数栈”（ operand stack）
（4）HotSpot把该栈称为“表达式栈”（ expression stack）
JVM的方法调用栈
- 每个Java线程有一个Java方法调用栈，该栈不与其它线程共享
- 每个方法每次被调用时都会在方法调用栈上分配一个栈帧
◦ 作为该方法调用的“活动记彔”
◦ 存储局部数据（包括参数）、临时值、返回值等
◦ 也用于动态链接、分派异常等用途
◦ 栈帧大小在从Java源码编译为Class文件时已可以确定
（1）记录在Class文件中每个方法的Code属性中
（2）max_stack不max_locals
（3）栈帧大小不需要在方法的执行当中变化 - 方法的一次调用结束时，对应的栈帧自动被撤销
◦ 无论是正常返回还是抛出异常
JVM的方法调用栈
- 每个Java栈帧包括：
◦ 局部变量区，保存参数与局部变量
◦ 操作数栈，保存表达式计算过程中的临时值
◦ 指向方法已解析的常量池的引用，用于动态链接、查找常量
◦ 其它一些VM内部实现需要的数据
如果一个方法的基本类型值传给另外一个方法，则前后两个栈帧可以共享一部分区域来传递参数。
栈帧中局部变量区的slot的复用
- 局部变量区在每个Java栈帧里都有一份
- 用于保存参数与局部变量
◦ 也可能用于临时保存返回值（ finally）
◦ 也可能保持ret指令的返回地址
◦ 以slot为单位，每个slot至少32位宽
◦ double不long占两个slot，其它占一个 - 一个slot在一个方法中可以分配给多个变量使用
◦ 只要返些变量的作用域不重叠
◦ 变量类型是否相同没有关系 - 栈帧的第0个位置是this指针，用于指向该方法所在类的实例。
示例：
因为l后面没有用到，当执行出了l所在的大括号，在执行while时，slot4、slot5为空。
Sun HotSpot虚拟机
Sun实现的一种桌面版JVM，从JDK1.3开始成为Sun JDK的默认VM。主要使用C++实现，JNI接口部分用C实现。拥有先进的解释器、动态编译器与GC（GC在不断的迭代更新中）。解释器与编译器结合的混合执行模型，默认启动时解释执行，对热点代码进行编译执行，故名“HotSpot VM"。从2006年底开源，并包含在OpenJDK中。
JVM在哪里？
java.exe是java的启动程序，通过启动程序加载jvm.dll。并调用jvm.dll进行class文件执行处理。
HotSpot VM的基本结构
主要包括一套运行时环境和两个编译器。
一套运行时环境
- 同一个解释器，高度优化的解释器，执行启动阶段代码及不常用代码；解释代码不编译后代码、本地代码共用同一个栈
- 同一组GC，有多种GC算法实现可供选择。
- 除编译器外，其它部分上同，不过client与server模式有不同的默认配置。
两个编译器
Client编译器（ C1）
- 轻量，只做少量性能开销比高的优化，占用内存较少
- 适用于桌面交互式应用，如GUI应用
Server编译器（ C2，或称为Opto） - 重量，大量应用传统编译优化技巧，占用内存相对多些
- 顶峰速度高
- 适用于服务器端应用。
启动程序
（1）Windows: java.exe / POSIX: java。
（2）载入JVM（ jvm.dll / libjvm.so）
（3）设置启劢参数
（4）初始化JVM
（5）找到主类， main方法，检查signature。
（6）通过JNI调用main方法。
（7）设置类路径。-Djava.class.path，Windows上设置的类路径顺序与字符串顺序相同， Linux上则相反（实现细节）
HotSpot中的Java对象布局
由两个参数控制。
Java对象实例或数组实例
对象头
- markOop
markOop的内部结构。
Compressed oop
-
-XX:+UseCompressedOops，默认为false
-
在64位HotSpot中使用32位指针，3段式，根据-Xmx/-XX:MaxHeapSize、 -XX: HeapBaseMinAddress以及进程环境。
-
klassOop
如果是数组，Java数组类型不包含数组长度信息，因而只看数组类型无法确定数组实例的大小，必须在数组实例内嵌入_length字段来记录数组长度。
对象实际数据
填充方式
实例
如下两个Integer类型，同时指向方法区的klassOopDesc对象。
在内存中的结构如下，示意图。
HotSpot中的Java方法相关对象
HotSpot里的线程
在以下的线程中，有Finalizer和ReferenceHandler线程是通过java代码实现的。
HotSpot线程交互实验
待完成。。。
参考
jvm规范：https://docs.oracle.com/javase/specs/
jvm中的动态类加载论文：http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.18.762
jvm白皮书：https://www.oracle.com/java/technologies/javase/javase-core-technologies-apis.html
java对象布局：https://www.oracle.com/java/technologies/whitepaper.html
jvm中的oops：http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/HotSpotGlossary.html
jvm中oop与klass:http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/FOSDEM-2007-HotSpot.pdf
jvm中压缩对象指针：http://wikis.sun.com/display/HotSpotInternals/CompressedOops
jvm中Finalizer线程：http://hg.openjdk.java.net/jdk6/jdk6/jdk/file/tip/src/share/classes/java/lang/ref/Finalizer.java
jvm中Reference线程：http://hg.openjdk.java.net/jdk6/jdk6/jdk/file/tip/src/share/classes/java/lang/ref/Reference.java
jvm中的线程交互：http://download.oracle.com/javase/6/docs/technotes/tools/share/jstack.html
jvm线程调用栈：http://www.atmarkit.co.jp/fjava/rensai3/javavm01/javavm01_1.html
c2编译器：http://ssw.jku.at/General/Staff/TW/igv.html
以上是关于Java虚拟机的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章