jvm工作原理

 

Java虚拟机

一、什么是Java虚拟机

Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

1.为什么要使用Java虚拟机

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。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语言使用模式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。

2.谁需要了解Java虚拟机

Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外,如果你想扩展Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地了解Java虚拟机。

3.Java虚拟机支持的数据类型

Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:

byte://1字节有符号整数的补码

short://2字节有符号整数的补码

int://4字节有符号整数的补码

long://8字节有符号整数的补码

float://4字节IEEE754单精度浮点数

double://8字节IEEE754双精度浮点数

char://2字节无符号Unicode字符

几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。*作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了*作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其*作数类型别是int、long、 float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令,包括integer 返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行 Java数值计算程序时,可能会非常慢。

虚拟机支持的其它数据类型包括:

object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用

returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

注:Java数组被当作object处理。

虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可

移植性。

二、Java虚拟机体系结构

Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。

1.Java指令集

Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。

Java指令集中的指令包含一个单字节的*作符,用于指定要执行的*作,还有0个或多个*作数,提供*作所需的参数或数据。许多指令没有*作数,仅由一个单字节的*作符构成。 虚拟机的内层循环的执行过程如下:

do{

取一个*作符字节;

根据*作符的值执行一个动作;

}while(程序未结束)

由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中*作数的数量和大小是由*作符决定的。如果*作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为:

第一个字节*256+第二个字节字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tableswitch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。

2.寄存器

Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。

Java虚拟机的寄存器有四种:

pc:Java程序计数器。

optop:指向*作数栈顶端的指针。

frame:指向当前执行方法的执行环境的指针。

vars:指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。

Java虚拟机

Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。

所有寄存器都是32位的。

3.栈

Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、*作数区。

(1)局部变量区　每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到*作数栈的指令, 也提供了把*作数栈中的值写入局部变量的指令。

(2)运行环境区　在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。

·动态链接

运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。

·正常的方法返回

如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。

·异常和错误传播

异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用

·程序使用了throw语句。

当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:

·检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。

·与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的 catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行;如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的 catch子句都被检查过。

·由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。

·如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。

(3)*作数栈区　机器指令只从*作数栈中取*作数,对它们进行*作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器 (如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。*作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持*作的参数,并保存 *作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是*作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相加,并把结果压回到*作数栈中。

每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的*作。每个*作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。* 作数只能被适用于其类型的*作符所*作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数*作(*作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行*作时是不考虑类型的。

4.无用单元收集堆

Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集能力:它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。

5.方法区

方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中,方法代码不包括在无用单元收集堆中,但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java 语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范。

注：文中的* 是“操”的意思

 

 

jvm载入原理操作系统装入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。

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.

首先来说一下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。

 

 

转自：http://wuchangshengp27.blog.163.com/blog/static/60543761200811313826993/