理解Java虚拟机体系结构

Posted 2021-04-30 尚学堂java培训

1 概述

众所周知，Java支持平台无关性、安全性和网络移动性。而Java平台由Java虚拟机和Java核心类所构成，它为纯Java程序提供了统一的编程接口，而不管下层操作系统是什么。正是得益于Java虚拟机，它号称的“一次编译，到处运行”才能有所保障。

1.1 Java程序执行流程

Java程序的执行依赖于编译环境和运行环境。源码代码转变成可执行的机器代码，由下面的流程完成：

Java技术的核心就是Java虚拟机，因为所有的Java程序都在虚拟机上运行。Java程序的运行需要Java虚拟机、Java API和Java Class文件的配合。Java虚拟机实例负责运行一个Java程序。当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例就诞生了。当程序结束，这个虚拟机实例也就消亡。

Java的跨平台特性，因为它有针对不同平台的虚拟机。

1.2 Java虚拟机

Java虚拟机的主要任务是装载class文件并且执行其中的字节码。由下图可以看出，Java虚拟机包含一个类装载器（class loader），它可以从程序和API中装载class文件，Java API中只有程序执行时需要的类才会被装载，字节码由执行引擎来执行。

当Java虚拟机由主机操作系统上的软件实现时，Java程序通过调用本地方法和主机进行交互。Java方法由Java语言编写，编译成字节码，存储在class文件中。本地方法由C/C++/汇编语言编写，编译成和处理器相关的机器代码，存储在动态链接库中，格式是各个平台专有。所以本地方法是联系Java程序和底层主机操作系统的连接方式。

由于Java虚拟机并不知道某个class文件是如何被创建的，是否被篡改一无所知，所以它实现了一个class文件检测器，确保class文件中定义的类型可以安全地使用。class文件检验器通过四趟独立的扫描来保证程序的健壮性：

• class文件的结构检查

• 类型数据的语义检查

• 字节码验证

• 符号引用验证

Java虚拟机在执行字节码时还进行其它的一些内置的安全机制的操作，他们作为Java编程语言保证Java程序健壮性的特性，同时也是Java虚拟机的特性：

• 类型安全的引用转换

• 结构化的内存访问

• 自动垃圾收集

• 数组边界检查

• 空引用检查

1.3 Java虚拟机数据类型

Java虚拟机通过某些数据类型来执行计算。数据类型可以分为两种：基本类型和引用类型，如下图：

但boolean有点特别，当编译器把Java源码编译为字节码时，它会用int或byte表示boolean。在Java虚拟机中，false是由0表示，而true则由所有非零整数表示。和Java语言一样，Java虚拟机的基本类型的值域在任何地方都是一致的，不管主机平台是什么，一个long在任何虚拟机中总是一个64位二进制补码的有符号整数。

对于returnAddress，这个基本类型被用来实现Java程序中的finally子句，Java程序员不能使用这个类型，它的值指向一条虚拟机指令的操作码。

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