1概述

眾所周知，Java支持平臺無關性、安全性和網(wǎng)絡移動性。而Java平臺由Java虛擬機和Java核心類所構(gòu)成，它為純Java程序提供了統(tǒng)一的編程接口，而不管下層操作系統(tǒng)是什么。正是得益于Java虛擬機，它號稱的“一次編譯，到處運行”才能有所保障。

1.1Java程序執(zhí)行流程

Java程序的執(zhí)行依賴于編譯環(huán)境和運行環(huán)境。源碼代碼轉(zhuǎn)變成可執(zhí)行的機器代碼，由下面的流程完成：

Java技術(shù)的核心就是Java虛擬機，因為所有的Java程序都在虛擬機上運行。Java程序的運行需要Java虛擬機、Java API和Java Class文件的配合。Java虛擬機實例負責運行一個Java程序。當啟動一個Java程序時，一個虛擬機實例就誕生了。當程序結(jié)束，這個虛擬機實例也就消亡。

Java的跨平臺特性，因為它有針對不同平臺的虛擬機。

1.2Java虛擬機

Java虛擬機的主要任務是裝載class文件并且執(zhí)行其中的字節(jié)碼。由下圖可以看出，Java虛擬機包含一個類裝載器（classloader），它可以從程序和API中裝載class文件，JavaAPI中只有程序執(zhí)行時需要的類才會被裝載，字節(jié)碼由執(zhí)行引擎來執(zhí)行。

當Java虛擬機由主機操作系統(tǒng)上的軟件實現(xiàn)時，Java程序通過調(diào)用本地方法和主機進行交互。Java方法由Java語言編寫，編譯成字節(jié)碼，存儲在class文件中。本地方法由C/C++/匯編語言編寫，編譯成和處理器相關的機器代碼，存儲在動態(tài)鏈接庫中，格式是各個平臺專有。所以本地方法是聯(lián)系Java程序和底層主機操作系統(tǒng)的連接方式。

由于Java虛擬機并不知道某個class文件是如何被創(chuàng)建的，是否被篡改一無所知，所以它實現(xiàn)了一個class文件檢測器，確保class文件中定義的類型可以安全地使用。class文件檢驗器通過四趟獨立的掃描來保證程序的健壯性：

·class文件的結(jié)構(gòu)檢查

·類型數(shù)據(jù)的語義檢查

·字節(jié)碼驗證

·符號引用驗證

Java虛擬機在執(zhí)行字節(jié)碼時還進行其它的一些內(nèi)置的安全機制的操作，他們作為Java編程語言保證Java程序健壯性的特性，同時也是Java虛擬機的特性：

·類型安全的引用轉(zhuǎn)換

·結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存訪問

·自動垃圾收集

·數(shù)組邊界檢查

·空引用檢查

1.3Java虛擬機數(shù)據(jù)類型

Java虛擬機通過某些數(shù)據(jù)類型來執(zhí)行計算。數(shù)據(jù)類型可以分為兩種：基本類型和引用類型，如下圖：

但boolean有點特別，當編譯器把Java源碼編譯為字節(jié)碼時，它會用int或byte表示boolean。在Java虛擬機中，false是由0表示，而true則由所有非零整數(shù)表示。和Java語言一樣，Java虛擬機的基本類型的值域在任何地方都是一致的，不管主機平臺是什么，一個long在任何虛擬機中總是一個64位二進制補碼的有符號整數(shù)。

對于returnAddress，這個基本類型被用來實現(xiàn)Java程序中的finally子句，Java程序員不能使用這個類型，它的值指向一條虛擬機指令的操作碼。

2體系結(jié)構(gòu)

在Java虛擬機規(guī)范中，一個虛擬機實例的行為是分別按照子系統(tǒng)、內(nèi)存區(qū)、數(shù)據(jù)類型和指令來描述的，這些組成部分一起展示了抽象的虛擬機的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)。

2.1class文件

Javaclass文件包含了關于類或接口的所有信息。class文件的“基本類型”如下：

如果想了解更多，Oracle的JVM SE7給出了官方規(guī)范：The Java® Virtual Machine Specification

class文件包含的內(nèi)容：

ClassFile {

 u4 magic;          //魔數(shù)：0xCAFEBABE，用來判斷是否是Java class文件
 u2 minor_version;        //次版本號
 u2 major_version;        //主版本號
 u2 constant_pool_count;      //常量池大小
 cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //常量池
 u2 access_flags;        //類和接口層次的訪問標志（通過|運算得到）
 u2 this_class;        //類索引（指向常量池中的類常量）
 u2 super_class;        //父類索引（指向常量池中的類常量）
 u2 interfaces_count;       //接口索引計數(shù)器
 u2 interfaces[interfaces_count];    //接口索引集合
 u2 fields_count;        //字段數(shù)量計數(shù)器
 field_info fields[fields_count];    //字段表集合
 u2 methods_count;        //方法數(shù)量計數(shù)器
 method_info methods[methods_count];   //方法表集合
 u2 attributes_count;       //屬性個數(shù)
 attribute_info attributes[attributes_count]; //屬性表

}

2.2 類裝載器子系統(tǒng)

類裝載器子系統(tǒng)負責查找并裝載類型信息。其實Java虛擬機有兩種類裝載器：系統(tǒng)裝載器和用戶自定義裝載器。前者是Java虛擬機實現(xiàn)的一部分，后者則是Java程序的一部分。

·啟動類裝載器（bootstrapclassloader）：它用來加載Java的核心庫，是用原生代碼來實現(xiàn)的，并不繼承自java.lang.ClassLoader。

·擴展類裝載器（extensionsclassloader）：它用來加載Java的擴展庫。Java虛擬機的實現(xiàn)會提供一個擴展庫目錄。該類加載器在此目錄里面查找并加載Java類。

·應用程序類裝載器（applicationclassloader）：它根據(jù)Java應用的類路徑（CLASSPATH）來加載Java類。一般來說，Java應用的類都是由它來完成加載的。可以通過ClassLoader.getSystemClassLoader()來獲取它。

除了系統(tǒng)提供的類裝載器以外，開發(fā)人員可以通過繼承java.lang.ClassLoader類的方式實現(xiàn)自己的類裝載器，以滿足一些特殊的需求。

類裝載器子系統(tǒng)涉及Java虛擬機的其它幾個組成部分以及來自java.lang庫的類。ClassLoader定義的方法為程序提供了訪問類裝載器機制的接口。此外，對于每一個被裝載的類型，Java虛擬機都會為它創(chuàng)建一個java.lang.Class類的實例來代表該類型。和其它對象一樣，用戶自定義的類裝載器以及Class類的實例放在內(nèi)存中的堆區(qū)，而裝載的類型信息則位于方法區(qū)。

類裝載器子系統(tǒng)除了要定位和導入二進制class文件外，還必須負責驗證被導入類的正確性，為類變量分配并初始化內(nèi)存，以及解析符號引用。這些動作還需要按照以下順序進行：

·裝載（查找并裝載類型的二進制數(shù)據(jù)）

·連接（執(zhí)行驗證：確保被導入類型的正確性；準備：為類變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認值；解析：把類型中的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用）

·初始化（類變量初始化為正確初始值）

2.3方法區(qū)

在Java虛擬機中，關于被裝載的類型信息存儲在一個方法區(qū)的內(nèi)存中。當虛擬機裝載某個類型時，它使用類裝載器定位相應的class文件，然后讀入這個class文件并將它傳輸?shù)教摂M機中，接著虛擬機提取其中的類型信息，并將這些信息存儲到方法區(qū)。方法區(qū)也可以被垃圾回收器收集，因為虛擬機允許通過用戶定義的類裝載器來動態(tài)擴展Java程序。

方法區(qū)中存放了以下信息：

·這個類型的全限定名（如全限定名java.lang.Object）

·這個類型的直接超類的全限定名

·這個類型是類類型還是接口類型

·這個類型的訪問修飾符（public,abstract,final的某個子集）

·任何直接超接口的全限定名的有序列表

·該類型的常量池（一個有序集合，包括直接常量[string,integer和floatingpoint常量]和對其它類型、字段和方法的符號引用）

·字段信息（字段名、類型、修飾符）

·方法信息（方法名、返回類型、參數(shù)數(shù)量和類型、修飾符）

·除了常量以外的所有類（靜態(tài)）變量

·指向ClassLoader類的引用（每個類型被裝載時，虛擬機必須跟蹤它是由啟動類裝載器還是由用戶自定義類裝載器裝載的）

·指向Class類的引用（對于每一個被裝載的類型，虛擬機相應地為它創(chuàng)建一個java.lang.Class類的實例。比如你有一個到java.lang.Integer類的對象的引用，那么只需要調(diào)用Integer對象引用的getClass()方法，就可以得到表示java.lang.Integer類的Class對象）

2.4堆

Java程序在運行時創(chuàng)建的所有類實例或數(shù)組（數(shù)組在Java虛擬機中是一個真正的對象）都放在同一個堆中。由于Java虛擬機實例只有一個堆空間，所以所有線程都將共享這個堆。需要注意的是，Java虛擬機有一條在堆中分配對象的指令，卻沒有釋放內(nèi)存的指令，因為虛擬機把這個任務交給垃圾收集器處理。Java虛擬機規(guī)范并沒有強制規(guī)定垃圾收集器，它只要求虛擬機實現(xiàn)必須“以某種方式”管理自己的堆空間。比如某個實現(xiàn)可能只有固定大小的堆空間，當空間填滿，它就簡單拋出OutOfMemory異常，根本不考慮回收垃圾對象的問題，但卻是符合規(guī)范的。

Java虛擬機規(guī)范并沒有規(guī)定Java對象在堆中如何表示，這給虛擬機的實現(xiàn)者決定怎么設計。一個可能的堆設計如下：

一個句柄池，一個對象池。一個對象的引用就是一個指向句柄池的本地指針。這種設計的好處有利于堆碎片的整理，當移動對象池中的對象時，句柄部分只需更改一下指針指向?qū)ο蟮男碌刂芳纯伞Ｈ秉c是每次訪問對象的實例變量都要經(jīng)過兩次指針傳遞。

2.5Java棧

每當啟動給一個線程時，Java虛擬機會為它分配一個Java棧。Java棧由許多棧幀組成，一個棧幀包含一個Java方法調(diào)用的狀態(tài)。當線程調(diào)用一個Java方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到該線程的Java棧中，當該方法返回時，這個棧幀就從Java棧中彈出。Java棧存儲線程中Java方法調(diào)用的狀態(tài)--包括局部變量、參數(shù)、返回值以及運算的中間結(jié)果等。Java虛擬機沒有寄存器，其指令集使用Java棧來存儲中間數(shù)據(jù)。這樣設計的原因是為了保持Java虛擬機的指令集盡量緊湊，同時也便于Java虛擬機在只有很少通用寄存器的平臺上實現(xiàn)。另外，基于棧的體系結(jié)構(gòu)，也有助于運行時某些虛擬機實現(xiàn)的動態(tài)編譯器和即時編譯器的代碼優(yōu)化。

2.5.1棧幀

棧幀由局部變量區(qū)、操作數(shù)棧和幀數(shù)據(jù)區(qū)組成。當虛擬機調(diào)用一個Java方法時，它從對應類的類型信息中得到此方法的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小，并根據(jù)此分配棧幀內(nèi)存，然后壓入Java棧中。

2.5.1.1局部變量區(qū)

局部變量區(qū)被組織為以字長為單位、從0開始計數(shù)的數(shù)組。字節(jié)碼指令通過從0開始的索引使用其中的數(shù)據(jù)。類型為int,float,reference和returnAddress的值在數(shù)組中占據(jù)一項，而類型為byte,short和char的值在存入數(shù)組前都被轉(zhuǎn)換為int值，也占據(jù)一項。但類型為long和double的值在數(shù)組中卻占據(jù)連續(xù)的兩項。

2.5.1.2操作數(shù)棧

和局部變量區(qū)一樣，操作數(shù)棧也是被組織成一個以字長為單位的數(shù)組。它通過標準的棧操作訪問--壓棧和出棧。由于程序計數(shù)器無法被程序指令直接訪問，Java虛擬機的指令是從操作數(shù)棧中取得操作數(shù)，所以它的運行方式是基于棧而不是基于寄存器。虛擬機把操作數(shù)棧作為它的工作區(qū)，因為大多數(shù)指令都要從這里彈出數(shù)據(jù)，執(zhí)行運算，然后把結(jié)果壓回操作數(shù)棧。

2.5.1.3幀數(shù)據(jù)區(qū)

除了局部變量區(qū)和操作數(shù)棧，Java棧幀還需要幀數(shù)據(jù)區(qū)來支持常量池解析、正常方法返回以及異常派發(fā)機制。每當虛擬機要執(zhí)行某個需要用到常量池數(shù)據(jù)的指令時，它會通過幀數(shù)據(jù)區(qū)中指向常量池的指針來訪問它。除了常量池的解析外，幀數(shù)據(jù)區(qū)還要幫助虛擬機處理Java方法的正常結(jié)束或異常中止。如果通過return正常結(jié)束，虛擬機必須恢復發(fā)起調(diào)用的方法的棧幀，包括設置程序計數(shù)器指向發(fā)起調(diào)用方法的下一個指令；如果方法有返回值，虛擬機需要將它壓入到發(fā)起調(diào)用的方法的操作數(shù)棧。為了處理Java方法執(zhí)行期間的異常退出情況，幀數(shù)據(jù)區(qū)還保存一個對此方法異常表的引用。

2.6程序計數(shù)器

對于一個運行中的Java程序而言，每一個線程都有它的程序計數(shù)器。程序計數(shù)器也叫PC寄存器。程序計數(shù)器既能持有一個本地指針，也能持有一個returnAddress。當線程執(zhí)行某個Java方法時，程序計數(shù)器的值總是下一條被執(zhí)行指令的地址。這里的地址可以是一個本地指針，也可以是方法字節(jié)碼中相對該方法起始指令的偏移量。如果該線程正在執(zhí)行一個本地方法，那么此時程序計數(shù)器的值是“undefined”。

2.7本地方法棧

任何本地方法接口都會使用某種本地方法棧。當線程調(diào)用Java方法時，虛擬機會創(chuàng)建一個新的棧幀并壓入Java棧。當它調(diào)用的是本地方法時，虛擬機會保持Java棧不變，不再在線程的Java棧中壓入新的棧，虛擬機只是簡單地動態(tài)連接并直接調(diào)用指定的本地方法。

其中方法區(qū)和堆由該虛擬機實例中所有線程共享。當虛擬機裝載一個class文件時，它會從這個class文件包含的二進制數(shù)據(jù)中解析類型信息，然后把這些類型信息放到方法區(qū)。當程序運行時，虛擬機會把所有該程序在運行時創(chuàng)建的對象放到堆中。

像其它運行時內(nèi)存區(qū)一樣，本地方法棧占用的內(nèi)存區(qū)可以根據(jù)需要動態(tài)擴展或收縮。

3執(zhí)行引擎

在Java虛擬機規(guī)范中，執(zhí)行引擎的行為使用指令集定義。實現(xiàn)執(zhí)行引擎的設計者將決定如何執(zhí)行字節(jié)碼，實現(xiàn)可以采取解釋、即時編譯或直接使用芯片上的指令執(zhí)行，還可以是它們的混合。

執(zhí)行引擎可以理解成一個抽象的規(guī)范、一個具體的實現(xiàn)或一個正在運行的實例。抽象規(guī)范使用指令集規(guī)定了執(zhí)行引擎的行為。具體實現(xiàn)可能使用多種不同的技術(shù)--包括軟件方面、硬件方面或樹種技術(shù)的結(jié)合。作為運行時實例的執(zhí)行引擎就是一個線程。

運行中Java程序的每一個線程都是一個獨立的虛擬機執(zhí)行引擎的實例。從線程生命周期的開始到結(jié)束，它要么在執(zhí)行字節(jié)碼，要么執(zhí)行本地方法。

3.1指令集

方法的字節(jié)碼流由Java虛擬機的指令序列構(gòu)成。每一條指令包含一個單字節(jié)的操作碼，后面跟隨0個或多個操作數(shù)。操作碼表示需要執(zhí)行的操作；操作數(shù)向Java虛擬機提供執(zhí)行操作碼需要的額外信息。當虛擬機執(zhí)行一條指令時，可能使用當前常量池中的項、當前幀的局部變量中的值或者位于當前幀操作數(shù)棧頂端的值。

抽象的執(zhí)行引擎每次執(zhí)行一條字節(jié)碼指令。Java虛擬機中運行的程序的每個線程（執(zhí)行引擎實例）都執(zhí)行這個操作。執(zhí)行引擎取得操作碼，如果操作碼有操作數(shù)，就取得它的操作數(shù)。它執(zhí)行操作碼和跟隨的操作數(shù)規(guī)定的動作，然后再取得下一個操作碼。這個執(zhí)行字節(jié)碼的過程在線程完成前將一直持續(xù)，通過從它的初始方法返回，或者沒有捕獲拋出的異常都可以標志著線程的完成。

4本地方法接口

Java本地接口，也叫JNI（JavaNativeInterface），是為可移植性準備的。本地方法接口允許本地方法完成以下工作：

傳遞或返回數(shù)據(jù)

操作實例變量

操作類變量或調(diào)用類方法

操作數(shù)組

對堆的對象加鎖

裝載新的類

拋出異常

捕獲本地方法調(diào)用Java方法拋出的異常

捕獲虛擬機拋出的異步異常

指示垃圾收集器某個對象不再需要

總結(jié)

以上就是本文關于深入理解Java虛擬機體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站其他相關專題，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對本站的支持！