第一章 JVM与Java体系结构

• 本系列博客，主要是面向Java8的虚拟机。

• 本系列博客主要参考尚硅谷的JVM视频教程

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1. 虚拟机概念

• 所谓虚拟机（Virtual Machine），就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

  • 大名鼎鼎的Virtual Box，VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机硬件的仿真(模拟)，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。

  • 程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令。

• 无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

2 . Java虚拟机

• Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成。
• JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回器，以及可靠的即时编译器。
• Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。
• 作用：
  • Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。
  • 每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。
• 特点：
  • 一次编译，到处运行
  • 自动内存管理
  • 自动垃圾回收功能

3. JVM的整体结构

1. HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
2. 它采用解释器与即时编译器并存的架构。
3. 在今天，Java程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。

内存结构

4. JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。具体来说：这两种架构之间的区别：

4.1 基于栈的指令集架构

基于栈式架构的特点：

1. 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统；
2. 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配
3. 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现
4. 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

4.2 基于寄存器的指令级架构

基于寄存器架构的特点：

1. 典型的应用是x86的二进制指令集：比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机。
2. 指令集架构则完全依赖硬件，与硬件的耦合度高，可移植性差
3. 性能优秀和执行更高效
4. 花费更少的指令去完成一项操作
5. 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

4.3 两种架构的举例

同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：

• 基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：

  JAVA
  iconst_2 //常量2入栈
  istore_1
  iconst_3 // 常量3入栈
  istore_2
  iload_1
  iload_2
  iadd //常量2/3出栈，执行相加
  istore_0 // 结果5入栈

  8个指令

• 而基于寄存器的计算流程

  JAVA
  mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
  add eax,3 //使eax寄存器的值加3

  2个指令

具体后面会讲

4.4 JVM架构总结

1. 由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。栈的优点：跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能比寄存器差一些。
2. 时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpot VM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？

• 因为基于栈的架构跨平台性好、指令集小，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构

5. JVM的生命周期

5.1 虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

5.2 虚拟机的执行

1. 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
2. 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止
3. 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程

5.2 虚拟机的退出

有如下的几种情况：

1. 程序正常执行结束
2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
3. 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
4. 某线程调用Runtime类或System类的exit()方法，或Runtime类的halt()方法，并且Java安全管理器也允许这次exit()或halt()操作。
5. 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载 Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。