JVM学习笔记（一：JVM概述）

2023-11-05 10:02:04

JVM学习笔记：一：JVM概述

JVM概述

虚拟机：Virtual Machine ，是一款软件，用来执行一系列计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
VMware属于系统虚拟机，是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的平台。
JVM 属于程序虚拟机，它专门为执行某个计算机程序而设计。

JVM概述

JVM（Java Virtual Machine）Java虚拟机

在JVM中执行的指令称为Java字节码指令
JVM是一种执行Java字节码文件的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制
Java核心技术就是JVM，所有的Java程序都运行在JVM内部。

JVM的作用

JVM 特点

一次编译，到处运行（跨平台，只要安装了jre，就可以运行Java程序）
自动内存管理
自动垃圾回收功能

现在的JVM不仅可以执行Java字节码文件，还可以执行其他语言编译后的字节码文件，是一个跨语言的平台。

JVM的位置

JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

JDK：开发人员使用的工具包
- javac ：用于编译Java源文件
- java：用于运行Java程序，它会启动Java虚拟机，Java虚拟机加载相关的类，然后调用主程序main()方法
- jar：将Java程序打包成一个.jar文件，
JRE：运行Java程序所需要的环境
JVM：将字节码解释编译为平台上的机器码指令

JVM的组成

类加载器（ClassLoader）
运行时数据区（Runtime Data Area）
执行引擎（Execution Engine）
本地库接口（Native Interface）

简图：

详细图：

组成部分的用途
程序在执行之前要先把Java代码转换成字节码文件（.class文件），JVM首先需要把字节码通过一定的方式 类加载器（ClassLoader）把文件加载到内存中的运行时数据区（Runtime Data Area）,而字节码文件是JVM的一套指令集规范，并不能直接交给底层的操作系统去执行，需要特定的命令解析器 执行引擎（Execution Engine）将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU去执行，这个过程需要调用其他语言的接口 本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

通常所说的JVM组成指运行时数据区，通常调试分析的区域就是 运行时数据区，或者说是运行时数据区中的Heap （堆）。

Java代码的执行流程

Java编译器编译过程中，任何一个节点执行失败就会造成编译失败，虽然各个平台的Java虚拟机内部实现细节不尽相同，但是他们执行的字节码内容是一样的。

JVM主要任务就是负责将字节码装在到内部，解释 / 编译为对应平台上机器指令执行。JVM使用类加载器（Class Loader）装载class文件。

类加载完成后，会进行字节码校验，字节码校验通过之后，JVM解释器会把字节码翻译成机器码交由操作系统执行。但不是所有的代码都是解释执行，JVM对此作了优化，比如HotSpot虚拟机本身提供了JIT（Just In Time）编译器。

JVM 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
另一种指令集架构是基于寄存器的指令集架构。

两种架构之间的区别：

基于栈式架构的特点：
- 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统
- 使用零地址指令方式分配，其执行过程依赖于操作栈，指令集更小，编译器容易实现。
- 不需要硬件支持，可移植型好，更好实现跨平台
基于寄存器式架构特点：
- 指令完全依赖于硬件，可移植性差
- 性能优秀，执行更高效
- 完成一项操作使用的指令更少

执行 2+3 逻辑操作，指令如下：

基于栈的计算流程（JVM为例）

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  出栈

基于寄存器的计算流程

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

使用javap -v class 可以将class文件反编译为指令集

所以由于跨平台的设计，Java指令集都是根据栈来设计的，不同CPU架构不同，因此不能设计为基于寄存器的。

优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现
缺点是性能下降，实现同样功能需要更多的指令

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