什么是jvm

Posted 2020-10-21 wanglei001

JVM是Java程序的运行环境,它同时也是一个操作系统的一个应用程序、一个进程,因此他也有他自己的运行生命周期,也有自己的代码和数据空间.JVM包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

首先来说一下JVM工作原理中的jdk这个东西,不管你是初学者还是高手,是j2ee程序员还是j2se程序员,jdk总是在帮我们做一些事情.我们在了解Java之前首先大师们会给我们提供说jdk这个东西.它在Java整个体系中充当着什么角色呢?我很惊叹sun大师们设计天才,能把一个如此完整的体系结构化的如此完美.jdk在这个体系中充当一个生产加工中心,产生所有的数据输出,是所有指令和战略的执行中心.本身它提供了Java的完整方案,可以开发目前Java能支持的所有应用和系统程序.这里说一个问题,大家会问,那为什么还有j2me,j2ee这些东西,这两个东西目的很简单,分别用来简化各自领域内的开发和构建过程.jdk除了JVM之外,还有一些核心的API,集成API,用户工具,开发技术,开发工具和API等组成

好了,废话说了那么多,来点于主题相关的东西吧.JVM在整个jdk中处于最底层,负责于操作系统的交互,用来屏蔽操作系统环境,提供一个完整的Java运行环境,因此也就是虚拟计算机.
操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境.

1.创建JVM装载环境和配置

2.装载JVM.dll

3.初始化JVM.dll并挂界到JNIENV(JNI调用接口)实例

4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

一．JVM装入环境，JVM提供的方式是操作系统的动态连接文件．既然是文件那就一个装入路径的问题，Java是怎么找这个路径的呢？当你在调用Java
test的时候，操作系统会在path下找到你的Java.exe程序，Java.exe就通过下面一个过程来确定JVM的路径和相关的参数配置．下面基于Windows的实现的分析．

首先查找jre路径：Java是通过GetApplicationHome
api来获得当前的Java.exe绝对路径，c:\j2sdk1.4.2_09\bin\Java.exe,那么它会截取到绝对路径c:\j2sdk1.4.2_09\，判断c:\j2sdk1.4.2_09\bin\Java.dll文件是否存在，如果存在就把c:\j2sdk1.4.2_09\作为jre路径，如果不存在则判断c:\j2sdk1.4.2_09\jre\bin\Java.dll是否存在，如果存在这c:\j2sdk1.4.2_09\jre作为jre路径．如果不存在就会接着调用GetPublicJREHome查HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\JavaSoft\Java
Runtime Environment\“当前JRE版本号”\JavaHome的路径为jre路径。

然后装载JVM.cfg文件：JRE路径+\lib+\ARCH（CPU构架）+\JVM.cfg。ARCH（CPU构架）的判断是通过Java_md.c中的GetArch函数判断的，该函数在windows平台只有两种情况：WIN64的‘ia64’，其他情况都为‘i386’。以我的为例：C:\j2sdk1.4.2_09\jre\lib\i386\JVM.cfg.主要的内容如下：

-client KNOWN

-server KNOWN

-hotspot ALIASED_TO -client

-classic WARN

-native ERROR

-green ERROR

在我们的jdk目录中jre\bin\server和jre\bin\client都有JVM.dll文件存在，而Java正是通过JVM.cfg配置文件来管理这些不同版本的JVM.dll的．通过文件我们可以定义目前jdk中支持那些JVM,前面部分（client）是JVM名称，后面是参数，KNOWN表示JVM存在，ALIASED_TO表示给别的JVM取一个别名，WARN表示不存在时找一个JVM替代，ERROR表示不存在抛出异常．在运行Java
XXX时，Java.exe会通过CheckJVMType来检查当前的JVM类型，Java可以通过两种参数的方式来指定具体的JVM类型，一种按照JVM.cfg文件中的JVM名称指定，第二种方法是直接指定，它们执行的方法分别是“Java
-J”、“Java -XXaltJVM=”或“Java
-J-XXaltJVM=”。如果是第一种参数传递方式，CheckJVMType函数会取参数‘-J’后面的JVM名称，然后从已知的JVM配置参数中查找如果找到同名的则去掉该JVM名称前的‘-’直接返回该值；而第二种方法，会直接返回“-XXaltJVM=”或“-J-XXaltJVM=”后面的JVM类型名称；如果在运行Java时未指定上面两种方法中的任一一种参数，CheckJVMType会取配置文件中第一个配置中的JVM名称，去掉名称前面的‘-’返回该值。CheckJVMType函数的这个返回值会在下面的函数中汇同jre路径组合成JVM.dll的绝对路径。如果没有指定这会使用JVM.cfg中第一个定义的JVM.可以通过set
_Java_LAUNCHER_DEBUG=1在控制台上测试．

最后获得JVM.dll的路径：JRE路径+\bin+\JVM类型字符串+\JVM.dll就是JVM的文件路径了，但是如果在调用Java程序时用-XXaltJVM=参数指定的路径path,就直接用path+\JVM.dll文件做为JVM.dll的文件路径．

二：装载JVM.dll

通过第一步已经找到了JVM的路径，Java通过LoadJavaVM来装入JVM.dll文件．装入工作很简单就是调用Windows API函数：

LoadLibrary装载JVM.dll动态连接库．然后把JVM.dll中的导出函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs挂接到InvocationFunctions变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数指针变量上。JVM.dll的装载工作宣告完成。

三：初始化JVM，获得本地调用接口，这样就可以在Java中调用JVM的函数了．调用InvocationFunctions－>CreateJavaVM也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法获得JNIEnv结构的实例．

四：运行Java程序．

Java程序有两种方式一种是jar包，一种是class. 运行jar,Java -jar
XXX.jar运行的时候，Java.exe调用GetMainClassName函数，该函数先获得JNIEnv实例然后调用Java类Java.util.jar.JarFileJNIEnv中方法getManifest()并从返回的Manifest对象中取getAttributes("Main-Class")的值即jar包中文件：META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。之后main函数会调用Java.c中LoadClass方法装载该主类（使用JNIEnv实例的FindClass）。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。如果是执行class方法。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。

然后main函数调用JNIEnv实例的GetStaticMethodID方法查找装载的class主类中

“public static void main(String[]
args)”方法，并判断该方法是否为public方法，然后调用JNIEnv实例的

CallStaticVoidMethod方法调用该Java类的main方法。


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a:指令系统
JVM指令系统同其他计算机的指令系统极其相似。Java指令也是由操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数，操作数紧随在操作码的后面，其长度根据需要而不同。操作码用于指定一条指令操作的性质（在这里我们采用汇编符号的形式进行说明），如iload表示从存储器中装入一个整数，anewarray表示为一个新数组分配空间，iand表示两个整数的"与"，ret用于流程控制，表示从对某一方法的调用中返回。当长度大于8位时，操作数被分为两个以上字节存放。JVM采用了"big
endian[3]"的编码方式来处理这种情况，即高位bits存放在低字节中。这同 Motorola及其他的RISC
CPU采用的编码方式是一致的，而与Intel采用的"little endian
"的编码方式即低位bits存放在低位字节的方法不同。Java指令系统是以Java语言的实现为目的设计的，其中包含了用于调用方法和监视多线程系统的指令。Java的8位操作码的长度使得JVM最多有256种指令，已使用了160多种操作码。
b:寄存器
所有的CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组。如果虚拟机定义较多的寄存器，便可以从中得到更多的信息而不必对栈或内存进行访问，这有利于提高运行速度。然而，如果虚拟机中的寄存器比实际CPU的寄存器多，在实现虚拟机时就会占用处理器大量的时间来用常规存储器模拟寄存器，这反而会降低虚拟机的效率。针对这种情况，JVM只设置了4个最为常用的寄存器。它们是：

pc程序计数器

optop操作数栈顶指针

frame当前执行环境指针

vars指向当前执行环境中第一个局部变量的指针

所有寄存器均为32位。pc用于记录程序的执行。optop,frame和vars用于记录指向Java栈区的指针。
c:栈结构
作为基于栈结构的计算机，Java栈是JVM存储信息的主要方法。当JVM得到一个Java字节码应用程序后，便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架，以保存该方法的状态信息。每个栈框架包括以下三类信息：

局部变量

执行环境

操作数栈

局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。vars寄存器指向该变量表中的第一个局部变量。

执行环境用于保存解释器对Java字节码进行解释过程中所需的信息。它们是：上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。执行环境是一个执行一个方法的控制中心。例如：如果解释器要执行iadd（整数加法），首先要从frame寄存器中找到当前执行环境，而后便从执行环境中找到操作数栈，从栈顶弹出两个整数进行加法运算，最后将结果压入栈顶。

操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果。
d:碎片回收
Java类的实例所需的存储空间是在堆上分配的。解释器具体承担为类实例分配空间的工作。解释器在为一个实例分配完存储空间后，便开始记录对该实例所占用的内存区域的使用。一旦对象使用完毕，便将其回收到堆中。在Java语言中，除了new语句外没有其他方法为一对象申请和释放内存。对内存进行释放和回收的工作是由Java运行系统承担的。这允许Java运行系统的设计者自己决定碎片回收的方法。在SUN公司开发的Java解释器和Hot
Java环境中，碎片回收用后台线程的方式来执行。这不但为运行系统提供了良好的性能，而且使程序设计人员摆脱了自己控制内存使用的风险。
e:存储区
JVM有两类存储区：常量缓冲池和方法区。常量缓冲池用于存储类名称、方法和字段名称以及串常量。方法区则用于存储Java方法的字节码。对于这两种存储区域具体实现方式在JVM规格中没有明确规定。这使得Java应用程序的存储布局必须在运行过程中确定，依赖于具体平台的实现方式。JVM是为Java字节码定义的一种独立于具体平台的规格描述，是Java平台独立性的基础。JVM还存在一些限制和不足，有待于进一步的完善，但无论如何，JVM的思想是成功的。

对比分析：如果把Java原程序想象成我们的C++原程序，Java原程序编译后生成的字节码就相当于C++原程序编译后的80x86的机器码（二进制程序文件），JVM虚拟机相当于80x86计算机系统，Java解释器相当于80x86CPU。在80x86CPU上运行的是机器码，在Java解释器上运行的是Java字节码。Java解释器相当于运行Java字节码的“CPU”，但该“CPU”不是通过硬件实现的，而是用软件实现的。Java解释器实际上就是特定的平台下的一个应用程序。只要实现了特定平台下的解释器程序，Java字节码就能通过解释器程序在该平台下运行，这是Java跨平台的根本。当前，并不是在所有的平台下都有相应Java解释器程序，这也是Java并不能在所有的平台下都能运行的原因，它只能在已实现了Java解释器程序的平台下运行。