JVM的基本工作原理和特点

在我们运行和调试Java程序的时候,经常会提到一个JVM的概念.JVM是Java程序运行的环境,但是他同时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的生命周期,也有自己的代码和数据空间.
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下在你的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了．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.cfgARCH（CPU构架）的判断是通过Java_md.c中GetArch函数判断的，该函数中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是，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。 

JVM是Java平台的核心，为了让编译产生的字节码能更好地解释与执行，因此把JVM分成了6个部分：JVM解释器、指令系统、寄存器、栈、存储区和碎片回收区

◆JVM解释器：即这个虚拟机处理字段码的CPU。

◆JVM指令系统：该系统与计算机很相似，一条指令由操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数，主要是为了说明一条指令的功能，操作数可以根据需要而定，JVM有多达256种不同的操作指令。

◆寄存器：JVM有自己的虚拟寄存器，这样就可以快速地与JVM的解释器进行数据交换。为了功能的需要，JVM设置了4个常用的32位寄存器：pc（程序计数器）、optop（操作数栈顶指针）、frame（当前执行环境指针）和vars（指向当前执行环境中第一个局部变量的指针）。

◆JVM栈：指令执行时数据和信息存储的场所和控制中心，它提供给JVM解释器运算所需要的信息。

◆存储区：JVM存储区用于存储编译过后的字节码等信息。

◆碎片回收区：JVM碎片回收是指将使用过的Java类的具体实例从内存进行回收，这就使得开发人员免去了自己编程控制内存的麻烦和危险。随着JVM的不断升级，其碎片回收的技术和算法也更加合理。JVM 1.4.1版后产生了一种叫分代收集技术，简单来说就是利用对象在程序中生存的时间划分成代，以此为标准进行碎片回收。


编译程序通过查表将所有指令的操作数和操作码等转换成内存的偏移量，即程序运行时的内存分配方式，目的是保证程序正常运行。而Java却是将指令转换成为一种.cla的文件，这种文件不包含硬件的信息，需要执行时只要经过安装有JVM的机器进行解释，创建内存分配后再通过查表来确定一条指令所在的地址。这样就有效地保证了Java的可移植性和安全性。