歡迎來到“Under The Hood”第一期。本期，我將給出JVM的基本結構和功能介紹。
什么是JVM？為什么要有它？
JVM（Java虛擬機）是一個運行已編譯Java程序的抽象計算機。之所以說是”虛擬“的，是因為它基于“真正”的硬件平臺和操作系統，一般以軟件的形式實現。所有的Java程序都為JVM而編譯。因此，在特定平臺上運行已編譯Java程序之前，該平臺的JVM必須先要被實現。
JVM在Java的跨平臺特性中，起著中間人的角色。它在已編譯Java程序與底層硬件平臺和操作系統之間，提供一個抽象層。JVM對Java的可移植性非常關鍵，因為，已編譯Java程序運行在JVM之上，并獨立于底層JVM的具體實現。
那么，是什么導致JVM的短小精悍？當被實現成軟件時，JMV很小巧。它被設計成這樣，是為了讓它能夠適用于盡可能多的地方，比如機頂盒，手機和個人電腦。JVM很精悍，是因為它的野心。”無處不在！“是它的戰斗口號。它想要無處不在，并且Java程序”一次編寫，到處運行“的程度說明了它的成功。
Java字節碼
Java程序被編譯成一種叫做字節碼的東東。JVM執行Java字節碼，所以字節碼可以被認為是JVM的機器語言。Java編譯器讀取Java源文件，把它翻譯成Java字節碼并保存到類文件（.class文件）中。編譯器會為源碼中的每一個類生成一個類文件。
對JVM來說，字節碼流就是指令序列。每條指令包含一個單字節的操作碼和零個或多個操作數。操作碼告訴JVM要執行的操作。如果JVM需要除操作碼之外更多的信息去執行一項操作，那么，需要的信息作為操作數，緊跟在操作碼之后。
每個字節碼都有一個助記符，它可被當作JVM的匯編語言。例如，有個指令會讓JVM把0壓到堆棧中。該指令的助記符是iconst_0，字節碼值是0×60。該指令沒有操作數。另一個指令讓程序的執行在內存中無條件向前向后跳轉。這個指令需要一個操作數，它是一個指明從當前內存地址開始的2字節無符號偏移量。通過把偏移量加到當前內存地址，JVM可以獲得要跳轉的目標內存地址。該指令的助記符是goto，它的字節碼值是0xa7。
虛擬部分
JVM的“虛擬硬件”可以分為四個部分：寄存器組，棧區，垃圾收集堆和方法區。這些部分很抽象，就像由它們組成的虛擬機一樣；但是它們必須在每個JVM的實現中，以某種形式存在。
JVM中地址的是32位（4字節）的，因此，JVM可以處理4GB（2的32次方）的內存。棧區，垃圾收集堆和方法區處在這4GB內存中的某個地方，至于它們的具體內存地址，這取決于每個特定JVM的實現者。
JVM中一個字（word）的長度是32位的。JVM中有少數幾個原始數據類型：byte（8位），short（16位），int（32位），long（64位），float（32位），double（64位），char（16位）。除了無符號Unicode字符char之外，其他6種數字類型都是有符號的。這些類型可以方便的映射到Java程序員可用的數據類型。另一個原始類型是對象句柄，它是一個指向堆中對象的32位地址。
由于包含字節碼，方法區以字節邊界對齊。棧和垃圾收集堆以字（32位）邊界對齊1。
寄存器：我少我自豪
JVM有1個程序計數器（counter）和3個管理棧的寄存器（register）。它只有很少的寄存器，是因為JVM字節碼指令主要操作棧區。這種面向棧的設計，使得JVM指令集和JVM實現很小巧。
JVM使用程序計數器（也叫pc寄存器），跟蹤當前執行指令的內存位置。另外3個寄存器（optop寄存器，frame寄存器和vars寄存器）指向當前執行方法棧幀上不同的部位。執行方法的棧幀持有特定方法調用的狀態（本地變量，即時計算結果等）。
方法區和程序計數器
方法區是字節碼呆的地方。程序計數器跟蹤執行線程。當前字節碼指令執行后，程序計數器會包含下一條執行指令的地址：一條指令執行之后，JVM把程序計數器設置為緊跟上一條指令的指令地址，除非上一條指令具體指明一次跳轉。
Java棧和相關寄存器
Java棧用來保存字節碼指令的參數和執行結果，給方法傳遞參數和返回結果，保存每個方法調用的狀態。方法調用的狀態被稱為調用棧幀。var寄存器，frame寄存器和optop寄存器指向當前棧幀的不同部位。
Java棧幀有3個區：本地變量，執行環境和操作數棧。本地變量區，包含當前方法調用中使用的所有本地變量。它由vars寄存器指向。執行環境區用來維護棧區本身的操作。它被frame寄存器指向。操作數區用來作為字碼指令的工作區。正是在這里，存放著字節碼指令的參數和其返回結果。操作數棧區的頂部被optop寄存器指向。
執行環境通常夾在本地變量和操作數棧中間。當前執行方法的操作數棧總是在棧區的最上面，所以optop寄存器總是指向整個Java棧的頂部。
垃圾收集堆
堆是Java對象生存的地方。任何時候，你用new操作符分配的內存，都來自堆中。Java語言不允許你直接釋放分配的內存。運行時環境會跟蹤堆上每個對象的引用，自動釋放那些不被引用的對象所占據的內存，這個過程被稱為垃圾收集。
參考
- 關于內存對齊方式，請參考Data alignment: Straighten up and fly right。
本文譯自：The lean, mean, virtual machine
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