初识JVM

Posted 2021-01-04 wuyx

        做了这么久的开发，到目前为止对JVM也只是一些简单的概念上的理解，正好周末于是将JVM的学习提上日程。

JVM 概念

        JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。
        一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。(摘录自百度百科)

JVM 规范

JVM 规范主要定义了二进制 class 文件 和 JVM 指令集等

- class 文件类型

- 运行时数据

- 帧栈

- 虚拟机的启动

- 虚拟机的指令集

• 类型转化（l2i）
• 出入栈操作（aload astore）
• 运算（iadd isub）
• 流程控制（ifeq ifne）
• 函数调用（invokevirtual invokeinteeerface invokespespecial invokestatic）

- 整数的表达

• 源码：第一位为符号位（0为正数，1为负数）

    7
    原码：00000111

• 反码：符号位不动，原码区反

    6
    原码：00000110
    反码：01111001

• 负数补码：符号位不动，反码加1

    -5
    原码：10000101
    反码：11111010
    补码：11111011

• 正数补码：和原码相同

    5
    原码：00000101
    反码：01111010
    补码：00000101

• 打印整数二进制

int a = 6;
for(int i = 0; i < 32; i++){
    int t = (a & 80000000 >>>i) >>> (31 - i);
    System.out.print(t);
}

第一次循环：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 （6的原码）
1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （80000000 >>> 0 的值）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （6 & 80000000 >>> 0）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （上面结果向右位移31位的值）
第二次循环：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 （6的原码）
0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （80000000 >>> 1 的值）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （6 & 80000000 >>> 1）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （上面结果向右位移30位的值）
                      .
                      .
                      .
第三十次循环：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 （6的原码）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100 （80000000 >>> 29 的值）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100 （6 & 80000000 >>> 29）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 （上面结果向右位移2位的值）
第三十一次循环：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 （6的原码）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 （80000000 >>> 30 的值）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 （6 & 80000000 >>> 30）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 （上面结果向右位移1位的值）
第三十二次循环：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 （6的原码）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 （80000000 >>> 31 的值）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （6 & 80000000 >>> 31）
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （上面结果向右位移0位的值）

因为int值为32位，所以上述计算均为32位码计算，最后将每次循环所得的数打印连接就是6的二进制码

- 为什么要使用补码

• 补码可以直接参与加法运算，符号位也可以直接参与运算，最后计算结果为正数则符号位是可以被进位进掉的

计算：-6+5=-1
11111010
00000101
11111111（-1的补码）

计算：-4+5=1
11111100
00000101
00000001

• 表示0
  因为0既不是正数也不是负数，那么我们在计算机中怎么表示0呢？

0
正数表示：00000000
负数表示：10000000
正数补码：00000000
负数补码：00000000

结果发现0不论是表示为正数还是负数它的补码都是00000000

- 浮点数的表示

一个浮点数 (Value) 的表示其实可以这样表示：
也就是浮点数的实际值，等于符号位（sign bit）乘以指数偏移值(exponent bias)再乘以分数值(fraction)。
对于不同长度的浮点数，阶码与小数位分配的数量不一样，如下：

类型	数符	阶码	尾数	总位数	偏移值
短实数	1	8	23	32	127
长实数	1	11	52	64	1023
零时实数	1	15	64	80	16383

• 我们对单精度浮点数为例，数符分配是1位，阶码分配了8位，尾数分配了是23位
• 例如： -5.125

符号位：1
整数部分：00000101（除2求余法）
小数部分：001（乘2求整法）
整体则为：00000101.001
转化二进制浮点数，使得整数未为1   1.01001 * 10   10为二进制2，表示小数点位移2位
阶码：单精度的浮点数阶码为8，偏移值为01111111  则 10 + 01111111 = 10000001
尾数：01001
则二进制码为： 1 10000001 01001000000000000000000（数符 阶码 尾数）

- JVM 需要对java Library 提供以下支持

• 反射 java.lang.reflect
• ClassLoader
• 初始化 class 和 interface
• 安全相关 java.security
• 多线程
• 弱引用

- JVM的编译

• 原码到JVM指令的对应格式
• javap
• JVM 反汇编格式

<index><opcode>[<operand1>[operand2]][<commend>]

for(i = 0; i < 100; i++){
}

上述代码对应的汇编语言为：

0 iconst_0     //Push int constant 0
1 istore_1     //Store into local variavle 1 (i=0)
2 goto 8       //Fist time through don`t increment
5 iinc 1 1     //Increment local variable 1 by 1(i++)
8 iload_1      //Push local variable 1 (i)
9 bipush 100   //Push int constant 100
11 if_icmplt 5 //Compare and loop if less than (i<100)
14 return      //Return void when done


今天也算是对jvm有一个初步的了解，后续将对jvm有一个更深层次的学习，如果有什么不对的地方希望各位大佬及时指正。

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