歡迎來到“Under The Hood”第一期。本期，我將給出JVM的基本結(jié)構(gòu)和功能介紹。
什么是JVM？為什么要有它？
JVM（Java虛擬機(jī)）是一個(gè)運(yùn)行已編譯Java程序的抽象計(jì)算機(jī)。之所以說是”虛擬“的，是因?yàn)樗?#8220;真正”的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)，一般以軟件的形式實(shí)現(xiàn)。所有的Java程序都為JVM而編譯。因此，在特定平臺(tái)上運(yùn)行已編譯Java程序之前，該平臺(tái)的JVM必須先要被實(shí)現(xiàn)。
JVM在Java的跨平臺(tái)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(tái)和操作系統(tǒng)之間，提供一個(gè)抽象層。JVM對(duì)Java的可移植性非常關(guān)鍵，因?yàn)椋丫幾gJava程序運(yùn)行在JVM之上，并獨(dú)立于底層JVM的具體實(shí)現(xiàn)。
那么，是什么導(dǎo)致JVM的短小精悍？當(dāng)被實(shí)現(xiàn)成軟件時(shí)，JMV很小巧。它被設(shè)計(jì)成這樣，是為了讓它能夠適用于盡可能多的地方，比如機(jī)頂盒，手機(jī)和個(gè)人電腦。JVM很精悍，是因?yàn)樗囊靶摹?#8221;無處不在！“是它的戰(zhàn)斗口號(hào)。它想要無處不在，并且Java程序”一次編寫，到處運(yùn)行“的程度說明了它的成功。
Java字節(jié)碼
Java程序被編譯成一種叫做字節(jié)碼的東東。JVM執(zhí)行Java字節(jié)碼，所以字節(jié)碼可以被認(rèn)為是JVM的機(jī)器語言。Java編譯器讀取Java源文件，把它翻譯成Java字節(jié)碼并保存到類文件（.class文件）中。編譯器會(huì)為源碼中的每一個(gè)類生成一個(gè)類文件。
對(duì)JVM來說，字節(jié)碼流就是指令序列。每條指令包含一個(gè)單字節(jié)的操作碼和零個(gè)或多個(gè)操作數(shù)。操作碼告訴JVM要執(zhí)行的操作。如果JVM需要除操作碼之外更多的信息去執(zhí)行一項(xiàng)操作，那么，需要的信息作為操作數(shù)，緊跟在操作碼之后。
每個(gè)字節(jié)碼都有一個(gè)助記符，它可被當(dāng)作JVM的匯編語言。例如，有個(gè)指令會(huì)讓JVM把0壓到堆棧中。該指令的助記符是iconst_0，字節(jié)碼值是0×60。該指令沒有操作數(shù)。另一個(gè)指令讓程序的執(zhí)行在內(nèi)存中無條件向前向后跳轉(zhuǎn)。這個(gè)指令需要一個(gè)操作數(shù)，它是一個(gè)指明從當(dāng)前內(nèi)存地址開始的2字節(jié)無符號(hào)偏移量。通過把偏移量加到當(dāng)前內(nèi)存地址，JVM可以獲得要跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)內(nèi)存地址。該指令的助記符是goto，它的字節(jié)碼值是0xa7。
虛擬部分
JVM的“虛擬硬件”可以分為四個(gè)部分：寄存器組，棧區(qū)，垃圾收集堆和方法區(qū)。這些部分很抽象，就像由它們組成的虛擬機(jī)一樣；但是它們必須在每個(gè)JVM的實(shí)現(xiàn)中，以某種形式存在。
JVM中地址的是32位（4字節(jié)）的，因此，JVM可以處理4GB（2的32次方）的內(nèi)存。棧區(qū)，垃圾收集堆和方法區(qū)處在這4GB內(nèi)存中的某個(gè)地方，至于它們的具體內(nèi)存地址，這取決于每個(gè)特定JVM的實(shí)現(xiàn)者。
JVM中一個(gè)字（word）的長度是32位的。JVM中有少數(shù)幾個(gè)原始數(shù)據(jù)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(hào)Unicode字符char之外，其他6種數(shù)字類型都是有符號(hào)的。這些類型可以方便的映射到Java程序員可用的數(shù)據(jù)類型。另一個(gè)原始類型是對(duì)象句柄，它是一個(gè)指向堆中對(duì)象的32位地址。
由于包含字節(jié)碼，方法區(qū)以字節(jié)邊界對(duì)齊。棧和垃圾收集堆以字（32位）邊界對(duì)齊1。
寄存器：我少我自豪
JVM有1個(gè)程序計(jì)數(shù)器（counter）和3個(gè)管理?xiàng)５募拇嫫鳎╮egister）。它只有很少的寄存器，是因?yàn)镴VM字節(jié)碼指令主要操作棧區(qū)。這種面向棧的設(shè)計(jì)，使得JVM指令集和JVM實(shí)現(xiàn)很小巧。
JVM使用程序計(jì)數(shù)器（也叫pc寄存器），跟蹤當(dāng)前執(zhí)行指令的內(nèi)存位置。另外3個(gè)寄存器（optop寄存器，frame寄存器和vars寄存器）指向當(dāng)前執(zhí)行方法棧幀上不同的部位。執(zhí)行方法的棧幀持有特定方法調(diào)用的狀態(tài)（本地變量，即時(shí)計(jì)算結(jié)果等）。
方法區(qū)和程序計(jì)數(shù)器
方法區(qū)是字節(jié)碼呆的地方。程序計(jì)數(shù)器跟蹤執(zhí)行線程。當(dāng)前字節(jié)碼指令執(zhí)行后，程序計(jì)數(shù)器會(huì)包含下一條執(zhí)行指令的地址：一條指令執(zhí)行之后，JVM把程序計(jì)數(shù)器設(shè)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(zhuǎn)。
Java棧和相關(guān)寄存器
Java棧用來保存字節(jié)碼指令的參數(shù)和執(zhí)行結(jié)果，給方法傳遞參數(shù)和返回結(jié)果，保存每個(gè)方法調(diào)用的狀態(tài)。方法調(diào)用的狀態(tài)被稱為調(diào)用棧幀。var寄存器，frame寄存器和optop寄存器指向當(dāng)前棧幀的不同部位。
Java棧幀有3個(gè)區(qū)：本地變量，執(zhí)行環(huán)境和操作數(shù)棧。本地變量區(qū)，包含當(dāng)前方法調(diào)用中使用的所有本地變量。它由vars寄存器指向。執(zhí)行環(huán)境區(qū)用來維護(hù)棧區(qū)本身的操作。它被frame寄存器指向。操作數(shù)區(qū)用來作為字碼指令的工作區(qū)。正是在這里，存放著字節(jié)碼指令的參數(shù)和其返回結(jié)果。操作數(shù)棧區(qū)的頂部被optop寄存器指向。
執(zhí)行環(huán)境通常夾在本地變量和操作數(shù)棧中間。當(dāng)前執(zhí)行方法的操作數(shù)棧總是在棧區(qū)的最上面，所以optop寄存器總是指向整個(gè)Java棧的頂部。
垃圾收集堆
堆是Java對(duì)象生存的地方。任何時(shí)候，你用new操作符分配的內(nèi)存，都來自堆中。Java語言不允許你直接釋放分配的內(nèi)存。運(yùn)行時(shí)環(huán)境會(huì)跟蹤堆上每個(gè)對(duì)象的引用，自動(dòng)釋放那些不被引用的對(duì)象所占據(jù)的內(nèi)存，這個(gè)過程被稱為垃圾收集。
參考
- 關(guān)于內(nèi)存對(duì)齊方式，請(qǐng)參考Data alignment: Straighten up and fly right。
本文譯自：The lean, mean, virtual machine
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