眾所周知，Java源代碼被編譯器編譯成class文件。而并不是底層操作系統(tǒng)可以直接執(zhí)行的二進制指令(比如Windows OS的.exe文件)。因此，我們需要有一種平臺可以解釋class文件并運行它。而做到這一點的正是Java 虛擬機(JVM)。
實際上，JVM是一種解釋執(zhí)行class文件的規(guī)范技術(shù)。各 個提 供商都可以根據(jù)規(guī)范，在不同的底層平臺上實現(xiàn)不同的JVM。
下面是JVM實現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)框圖。其中類裝載子系統(tǒng)、運行時數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎等 是JVM的必須要解決的幾大問題。
★ 類裝載器子系統(tǒng)
在JVM中，類裝載器子系統(tǒng)負責(zé)查找并裝載Class文件。關(guān)于這部分的裝載細節(jié)詳見《
JVM加載class文件的原理 》
★ 運行時數(shù)據(jù)區(qū)
當(dāng)Java虛擬機運行一個程序時，需要內(nèi)存在存儲許多東西。比如字節(jié)碼，程序創(chuàng)建的對象，傳遞的方法參數(shù)，返回值，局部變量等等。JVM會把這些東西都組織到幾個“運行時數(shù)據(jù)區(qū)”中便于管理。
(1) 方法區(qū)
當(dāng)JVM使用類裝載器定位Class文件，并將其輸入到內(nèi)存中時。會提取Class文件的類型信息，并將這些信息存儲到方法區(qū)中。同時放入方法取中的還有該類型中的類靜態(tài)變量。下面我們具體看看需要存儲哪些信息？
●該類型的全限定名。如java.io.FileOutputStream
●該類型的直接超類的全限定名。如java.io.OutputStream
●該類型是類類型還是接口類型。
●該類型的訪問修飾符(public、abstract、final)。
●任何直接超接口的全限定名的有序列表。如java.io.Closeable, java.io.Flushable。
●該類型的常量池。比如所有類型、方法和字段的符號。基本數(shù)據(jù)類型的直接數(shù)值等。
●字段信息。對類型中聲明的每個字段，方法區(qū)中必須保存下面的信息。除此之外，這些字段在類或者接口中的聲明順尋也必須保存。
字段名
字段的類型
字段的修飾符(public, private, protected, static, final, volatile, transient的某個子集)
●方法信息。和字段一樣保存方法的相關(guān)信息。
方法名
方法的返回類型
方法的參數(shù)的數(shù)量和類型
方法的修飾符
方法的字節(jié)碼
操作數(shù)棧和棧幀中局部變量的大小 (見下面Java棧的內(nèi)容)
異常表
●類靜態(tài)變量。這里要注意：類中的靜態(tài)變量時存放在方法區(qū)中的。并不是存放在堆中某一個該類型的對象中的。 也就是我們常說的“類靜態(tài)變量屬于類，而不屬于對象”這句話的由來了。
●指向ClassLoader類的引用。任何類都需要被類裝載器裝入內(nèi)存。如果是被用戶自定義類裝載器裝載的，那么JVM必須在類型信息中存儲對該裝載器對象的引用。
●指向Class類的 引用。對于每一個被裝載的類型，虛擬機都會相應(yīng)的為它創(chuàng)建一個java.lang.Class類的實例，而且虛擬機還必須以某種方式把這個實例和存儲在方 法區(qū)中的類型信息關(guān)聯(lián)起來。 這就使得我們可以在程序運行時查看某個加載進內(nèi)存的類的當(dāng)前狀態(tài)信息。也就是反射機制實現(xiàn)的根本。
●方法表。 為了能快速定位到類型中的某個方法。JVM對每個裝載的類型都會建立一個方法表，用于存儲該類型對象可以調(diào)用的方法的直接引用，這些方法就包括從超類中繼 承來的。而這張表與Java動態(tài)綁定機制( 參見《
java動態(tài)綁定機制實現(xiàn)多態(tài) 》 )的實現(xiàn)是密切相關(guān)的。
方法區(qū)是多線程共享的。也就是當(dāng)虛擬機實例開始運行程序時，邊運行邊加載 進Class文 件。不同的Class文件都會提取出不同類型信息存放在方法區(qū)中。同樣，方法區(qū)中不再需要運行的類型信息會被垃圾回收線程丟棄掉。右圖形象的顯示出了方法區(qū)的樣子。
(2) 堆
Java 程序在運行時創(chuàng)建的所有類型對象和數(shù)組都存儲在堆中。JVM會根據(jù)new指令在堆中開辟一個確定類型的對象內(nèi)存空間。但是堆中開辟對象的空間并沒有任何 人工 指令可以回收，而是通過JVM的垃圾回收器負責(zé)回收。
堆中對象存儲的是該對象以及對象所有超類的實例數(shù)據(jù)(但不是靜態(tài)數(shù)據(jù))， 比如下面的類型：
class X{
private int data;
private static int stcdata=0;
public X(int d){
this.data=d;
}
}
X x1=new X(100);
X x2=new X(200);
這樣在堆中開辟了兩個對象x1和x2的內(nèi)存空間。其中x1中的一個實例數(shù)據(jù)data=100，而x2的data=200。但是這兩個對象中都沒有stcdata這樣的數(shù)據(jù)，這個靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲在上面講到的方法區(qū)中。
此外，堆中對象還必須有指向方法區(qū)中的類信息數(shù)據(jù)(見上面方法區(qū))。 為什么需要這個信息呢？因為當(dāng)程序在運行時需要對象轉(zhuǎn)型，那么JVM必須檢查當(dāng)前對象所屬類型及父類的信息。以判斷轉(zhuǎn)型是否是合法的，而這一點也是instanceof操作符實現(xiàn)的基礎(chǔ)。
當(dāng)然，上述只是JVM的規(guī)范，具體堆的實現(xiàn)是由JVM設(shè)計者來決定。下面兩幅圖就直觀的表現(xiàn)出了堆對象的不同實現(xiàn)結(jié)構(gòu)：
其中一個對象的引用可能在整個運行時數(shù)據(jù)區(qū)中的很多地方存在，比如Java棧，堆，方法區(qū)等。
堆中對象還應(yīng)該關(guān)聯(lián)一個對象的鎖數(shù)據(jù)信息以及線程的等待集合。 這些都是實現(xiàn)Java線程同步機制的基礎(chǔ)。但實際上很多具體實現(xiàn)中并不在對象自身內(nèi)部保存一個指向鎖數(shù)據(jù)的指針。而只有當(dāng)?shù)谝淮涡枰渔i的時候才分配對應(yīng)鎖數(shù)據(jù)。另外，每個對象都會從Object中繼承三個Object方法(wait、notify、notifyAll)，當(dāng)某個線程在一個對象上調(diào)用了等待方法時。JVM就會阻塞這個線程，并把這個線程放在該對象的等待集合中。知道另外一個線程在該對象上調(diào)用了notify/notifyAll，JVM才會在等待集合中喚醒一個或全部的等待線程(參見《
正確理解線程等待和釋放(wait/notify)》)。
【數(shù)組對象】
在Java中，數(shù)組也是對象，那么自然在堆中會存儲數(shù)組的信息。事實也確實如此，對于JVM而言，數(shù)組與其他類對象沒有任何區(qū)別。
數(shù)組也有屬于的類Class，具有相同維度和類型的數(shù)組都是同一個類的實例，而不管數(shù)組的長度是多少。
數(shù)組類的名稱由兩部分構(gòu)成：(1)每一維用一個方括號“[”表示。(2) 用字符或字符串表示元素類型。比如一維數(shù)組對象int[] a所屬類型名為"[I"，二維數(shù)組對象byte[] b所屬類型名為"[[B"。
下圖是二維數(shù)組對象在堆中的具體實現(xiàn)方式：
(3) 程序計數(shù)器
對于一個運行的Java而言，每一個線程都有一個PC寄存器。當(dāng)線程執(zhí)行Java程序時，PC寄存器的內(nèi)容總是下一條將被執(zhí)行的指令地址。
(4) Java棧 - 棧幀
每啟動一個線程，JVM都會為它分配一個Java棧，用于存放方法中的局部變量，操作數(shù)以及異常數(shù)據(jù)等。當(dāng)線程調(diào)用某個方法時，JVM會根據(jù)方法區(qū)中該方法的字節(jié)碼組建一個棧幀。并將該棧幀壓入Java棧中，方法執(zhí)行完畢時，JVM會彈出該棧幀并釋放掉。
注意，Java棧中的數(shù)據(jù)是線程私有的，一個線程是無法訪問另一個線程的Java棧的數(shù)據(jù)。這也就是為什么多線程編程時，兩個相同線程執(zhí)行同一方法時，對方法內(nèi)的局部變量時不需要數(shù)據(jù)同步的原因。
【棧幀 】
棧幀有三部分構(gòu)成：局部變量區(qū)、操作數(shù)棧和幀數(shù)據(jù)區(qū)。在編譯器編譯Java代碼時，就已經(jīng)在字節(jié)碼中為每個方法都設(shè)置好了局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的數(shù)據(jù)和大小。并在JVM首次加載方法所屬的Class文件時，就將這些數(shù)據(jù)放進了方法區(qū)。因此在線程調(diào)用方法時，只需要根據(jù)方法區(qū)中的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小來分配一個新的棧幀的內(nèi)存大小，并堆入Java棧。
局部變量區(qū)： 用來存放方法中的所有局部變量值，包括傳遞的參數(shù)。這些數(shù)據(jù)會被組織成以一個字長(32bit或64bit)為單位的數(shù)組結(jié)構(gòu)(以索引0開始)中。其中類型為int, float, reference(引用類型，記錄對象在堆中地址)和returnAddress(一種JVM內(nèi)部使用的基本類型)的值占用1個字長，而byte, char和shot會擴大成1個字長存儲，long，double則使用2個字長。
操作數(shù)棧： 用來在執(zhí)行指令的時候存儲和使用中間結(jié)果數(shù)據(jù)。
幀數(shù)據(jù)區(qū)： 常量池的解析，正常方法返回以及異常派發(fā)機制的信息數(shù)據(jù)都存儲在其中。
下圖展示了addAndPrint()調(diào)用addTwoTypes()時，Java棧的變化：
★ 執(zhí)行引擎
運行Java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，他要么在執(zhí)行字節(jié)碼，要么在執(zhí)行本地方法。一個線程可能通過解釋或者使用芯片級指令直接執(zhí)行字節(jié)碼，或者間接通過JIT執(zhí)行編譯過的本地代碼。
指令集： 實際上，Class文件中方法的字節(jié)碼流就是有JVM的指令序列構(gòu)成的。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)。
Java虛擬機指令集關(guān)注的中心是操作數(shù)棧和局部變量集合。我們可以看看下面一組指令在執(zhí)行引擎中執(zhí)行的過程：
Jvm助記指令代碼
iload_0 // 把存儲在局部變量區(qū)中索引為0的整數(shù)壓入操作數(shù)棧。
iload_1 // 把存儲在局部變量區(qū)中索引為1的整數(shù)壓入操作數(shù)棧。
iadd // 從操作數(shù)棧中彈出兩個整數(shù)相加，在將結(jié)果壓入操作數(shù)棧。
istore_2 // 從操作數(shù)棧中彈出結(jié)果
很顯然，上面的指令反復(fù)用到了Java棧中的某一個方法棧幀。實際上執(zhí)行引擎運行Java字節(jié)碼指令很多時候都是在不停的操作Java棧，也有的時候需要在堆中開辟對象以及運行系統(tǒng)的本地指令等。但是Java棧的操作要比堆中的操作要快的多，因此反復(fù)開辟對象是非常耗時的。這也是為什么Java程序優(yōu)化的時候，盡量減少new對象。
下面將會是很有趣的過程，我們用一段代碼來生動的展現(xiàn)JVM是如何運行這段程序的。
通過編譯器將下面的代碼編譯成edu/hr/jvm/Test.class 和 edu/hr/jvm/bean/Act.class。然后開始啟動JVM：
Java代碼
//源代碼 Test.java
package edu.hr.jvm;
import edu.hr.jvm.bean;
public class Test{
public static void main(String[] args){
Act act=new Act();
act.doMathForever();
}
}
//源代碼 Act.java
package edu.hr.jvm.bean;
public class Act{
public void doMathForever(){
int i=0;
for(;;){
i+=1;
i*=2;
}
}
}
(1) 首先OS會創(chuàng)建一個JVM實例(進行必要的初始化工作，比如初始啟動類裝載器，初始運行時內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)等)。
(2) 然后通過自定義類裝載器 加載Test.class。并提取Test.class字節(jié)碼中的信息存放在方法區(qū) 中(具體的信息在上面已經(jīng)講過)。右圖展示了方法區(qū)中的Test類信息，其中在常量池中有一個符號引用"Act"(注意：這個引用目前還沒有真正的類信息 的內(nèi)存地址)。
(3) 接著JVM開始從Test類的main字節(jié)碼處開始解釋執(zhí)行。在運行之前，會在Java棧中組建一個main方法的棧幀 。如右圖Java棧所示。JVM需要運行任何方法前，通過在Java棧 中壓入一個幀棧。在這個幀棧的內(nèi)存區(qū)域中進行計算。
(4) 現(xiàn)在可以開始執(zhí)行main方法的第一條指令——JVM需要為常量池 的第一項的類(符號引用Act)分配內(nèi)存空間。但是Act類此時還沒有加載進JVM(因為常量池目前只有一個"Act"的符號引用)。
(5) JVM加載進Act.class，并提取Act類信息 放入方法區(qū)中。見上圖方法區(qū)所示，然后以一個直接指向方法區(qū)Act類信息的直接引用替換開始在常量池中的符號引用"Act"，這個過程就是常量池解析 。以后就可以直接訪問Act的類信息了。
(6) 此時JVM可以根據(jù)方法區(qū)中的Act類信息，在堆中開辟一個Act類對象 act。見上圖堆所示。
(7) 接著開始執(zhí)行main方法中的第二條指令調(diào)用doMathForever。這個可以通過堆中act對象所指的方法表 中查找，然后定位到方法區(qū)中的Act類信息中的doMathForever方法字節(jié)碼。在運行之前，仍然要組建一個doMathForever棧幀壓入Java棧，如上圖所示。(注意：JVM會根據(jù)方法區(qū)中doMathForever的字節(jié)碼來創(chuàng)建棧幀的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小)
(8) 接下來JVM開始解釋運行Act.doMathForever字節(jié)碼的內(nèi)容了。下面我們詳細的描述一下這個JVM的運行過程：
● 我們首先看一下doMathForever方法的字節(jié)碼在方法區(qū)中的指令如右圖，其中bytecode是指令的二進制編碼 ，mnemonic是指令助記符 ，pc為程序計數(shù)器 (指向當(dāng)前運行指令的下一條)，offset為指令存放在方法區(qū)中的地址偏移 。
●然后在上面的圖Java棧中已經(jīng)顯示出了doMathForever方法的棧幀，其中比較重要的兩個部分是局部變量區(qū)和 操作數(shù)棧 。而此時在運行指令之前，局部變量區(qū)中只有一個整型i 的存儲位置(1個字長)。而操作數(shù)棧中還沒有被創(chuàng)建了2個字長的大小(存儲大小是幀棧創(chuàng)建的時候由方法區(qū)中的數(shù)據(jù)確定的)。
局部變量區(qū)
index hex value value
(變量i) 0
optop: 0 操作數(shù)棧
offset hex value value
optop-> 0
1
● 下面運行每一條指令后，看一下局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的變化：
① 指令[iconst_0] 將int類型變量的數(shù)據(jù)0壓入操作數(shù)棧。
局部變量區(qū) 操作數(shù)棧
index hex value value offset hex value value
(變量i) 0 0 00000000 0
optop-> 1
② 指令[istore_0] 彈出操作數(shù)棧頂?shù)臄?shù)據(jù)0，將結(jié)果存儲在局部變量區(qū)中index=0的空間中。
局部變量區(qū) 操作數(shù)棧
index hex value value offset hex value value
(變量i) 0 00000000 0 optop-> 0
1
③指令[iinc 0 1] 把常量值1加到局部變量區(qū)中index=0的空間上。
局部變量區(qū) 操作數(shù)棧
index hex value value offset hex value value
(變量i) 0 00000001 1 optop-> 0
1
④指令[iload_0] 把局部變量區(qū)index=0中的數(shù)據(jù)堆入操作數(shù)棧。
局部變量區(qū) 操作數(shù)棧
index hex value value offset hex value value
(變量i) 0 00000001 1 0 00000001 1
optop-> 1
⑤指令[iconst_2] 把int類型變量的數(shù)據(jù)2壓入操作數(shù)棧。
局部變量區(qū) 操作數(shù)棧
index hex value value offset hex value value
(變量i) 0 00000001 1 0 00000001 1
1 00000002 2
optop->
⑥指令[imul] 彈出操作數(shù)棧中的兩個數(shù)據(jù)1和2，相乘之后的結(jié)果2堆入操作數(shù)棧
局部變量區(qū) 操作數(shù)棧
index hex value value offset hex value value
(變量i) 0 00000001 1 optop-> 0 00000002 2
1
⑦指令[istore_0] 彈出操作數(shù)棧頂?shù)臄?shù)據(jù)2，將結(jié)果存儲在局部變量區(qū)中index=0的空間中。
局部變量區(qū) 操作數(shù)棧
index hex value value offset hex value value
(變量i) 0 00000002 2 optop-> 0
1
⑧指令[goto 2] 跳轉(zhuǎn)到指令iinc 0 1處循環(huán)執(zhí)行下去.....
當(dāng)然，這個例子不停的執(zhí)行下去只會出現(xiàn)算術(shù)溢出，也就是一個字長(2bytes)的整型變量i 無法表示不停計算的結(jié)果了。但是JVM不會拋出任何異常，
附：在《深入Java虛擬機》一書第5章節(jié)有一個JVM模擬運行上面程序的源代碼和applet展示，做的很不錯。下面是這本書的配到源代碼，大家可以學(xué)習(xí)一下。
