java虚拟机规范(se8)——java虚拟机结构(一)

本文翻译自：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html

第二章 虚拟机结构

　　本文档描述了一个抽象的虚拟机规范，并不描述某个特定的虚拟机实现。

　　要正确实现一个Java虚拟机，你只需要能够读取class文件的格式并正确执行其中指定的操作。具体的实现并不是java虚拟机规范的一部分，因为它们会限制实现者的创造力。比如，运行时数据区域的内存布局，垃圾回收使用的算法，以及任何的java虚拟机指令的内部优化（如：转换为机器码）都留给实现者去决定。

　　本规范中引用的所有Unicode都遵守Unicode 标准，6.0.0版本，可以从http://www.unicode.org/.获取。

2.1 class文件格式

　　编译后能够被java虚拟机执行的代码使用了一个独立于硬件和操作系统的二进制格式，通常(不是必须的)存在一个文件中，就是通常所说的class文件格式。class文件格式精确的定义了类和接口的表示，包括一些如字节序(byte ordering)的细节，可能在平台相关的目标文件格式中这被认为是理所当然的。

　　第四章，class文件格式给出了class文件格式的细节。

2.2 数据类型

　　类似于java编程语言，java虚拟机操作两种数据类型：基本类型和引用类型（primitive types and reference types）。相应的，有两种类型的数据可以用于变量赋值、参数传递和方法返回：基本值和引用值（primitive values and reference values）。

　　java虚拟机期望几乎所有的类型检查在运行前完成，通常由编译器完成，不应该在java虚拟机中完成。基本类型的值不需要特殊标记，或者特殊的方法在运行时确定他们的类型，也不需要将它们和引用类型区分开来。相反，Java虚拟机的指令集对不同的操作数使用不用的操作数指令，从而来区分其操作数类型。例如，iadd，ladd，fadd和dadd这些java虚拟机指令用来求两个数之和，它们分别指明了操作数的类型是int，long，float和double。更多的java虚拟机指令可参考2.11.1。

　　Java虚拟机包含对对象的显式支持。对象是动态分配的类实例或数组。一个对象的引用可以认为是Java虚拟机的引用（reference）类型。引用（reference）的值可以被认为是指向对象的指针。可能存在多个对象的引用。对象始终通过引用（reference）类型的值来进行的值的操作，传递和检查。

2.3 基本数据类型和值

　　java虚拟机支持的基本类型由数字类型，布尔类型以及returnAddress类型。

　　数字类型包括整数类型和浮点数类型。

　　具体的整数类型如下：

• 　　byte，其值为8位有符号二进制补码整数，其默认值为零
• 　　short，其值为16位有符号二进制补码整数，其默认值为零
• 　　int，其值为32位有符号二进制补码整数，其默认值为零
• 　　long，其值为64位有符号二进制补码整数，其默认值为零
• 　　char，其值为16位无符号整数，表示基本多文本平面（Basic Multilingual Plane）中的Unicode代码点，使用UTF-16编码，其默认值为空代码点（'\ u0000'）

　　浮点型数字类型如下：

• 　　fload，值为单精度浮点数集中的元素，或者（如果虚拟机支持的话）是单精度扩展指数（Float-Extended-Exponent）集合中的元素。默认值为正数零。
• 　　double，取值范围是双精度浮点数集合中的元素，或者（如果虚拟机支持的话）是双精度扩展指数（Double-Extended-Exponent）集合中的元素。默认值为正数零。

　　布尔类型的值取值范围是true和false，默认值是false（Java®虚拟机规范的第一版没有将布尔值视为Java虚拟机类型。但是，布尔值在Java虚拟机中的支持有限。Java®虚拟机规范的第二版通过将布尔值视为一种类型来澄清该问题。）

　　returnAddress类型的值是指向Java虚拟机指令的操作码（opcodes）的指针。在基本类型中，除了returnAddress类型，其它类型都与Java编程语言类型直接相关联。

2.3.1 整数类型和值

　　java虚拟机中的整型的取值范围如下：

　　byte， (-2⁷ to 2⁷ - 1),

　　short,  (-2¹⁵ to 2¹⁵ - 1),

　　int,  (-2³¹ to 2³¹ - 1)

　　long，(-2⁶³ to 2⁶³ - 1)

　　char，（0 ~ 2^16-1）

　　

2.3.2 浮点类型和值

　　浮点类型就是指 float 类型和 double 类型，它们在概念上与《IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic》（ANSI/IEEE Std. 754-1985, New York）

标准中定义的 32 位单精度和 64 位双精度 IEEE 754 格式取值和操作都是一致的。

　　IEEE 754标准不仅包含了正负带符号数，还包括了正负零，正负无穷大，以及特殊的非数字值（下面简称NaN）。NaN表示某些无效操作的结果，比如0/0。

　　每一个java虚拟机实现都必须支持两种标准的浮点数集：单精度浮点数集合和双精度浮点数集合。另外，java虚拟机实现也可以选择性的支持一种或者两种扩展指数集合：单精度扩展指数集合和双精度扩展指数集合（float-extended-exponent value set and the double-extended-exponent value set. ）。在某些情况下，可以使用这些扩展指数值集代替标准值集来表示float或double类型的值。

　　任何有限非零浮点数可以表示为 s ⋅ m ⋅ 2^{(e − N + 1)}，其中s为+1或者-1，m为小于2N的正整数，e为一个介于E_min， −(2^K−1−2)和 E_max， 2^K−1−1之间的一个整数，N和K的取值范围取决于当前的浮点数值集合。部分浮点数使用这种规则得到的表示形式可能不是唯一的，例如在指定的数值集合内，可以存在一个数字 v，它能找到特定的 s、m 和 e 值来表示，使得其中 m 是偶数，并且 e 小于  2^K-1，这样我们就能够通过把 m 的值减半再将 e 的值增加 1 来的方式得到 v 的另外一种不同的表示形式。在这些表示形式中，如果其中某种表示形式中 m 的值满足条件 m ≥ 2^N-1的话，那就称这种表示为标准表示（Normalized Representation），不满足这个条件的其他表示形式就称为非标准表示（Denormalized Representation）。如果某个数值不存在任何满足 m ≥ 2^N-1的表示形式，即不存在任何标准表示，那就称这个数字为非标准值（Denormalized Value）

　　在两种必须支持的浮点数集和两种可选的浮点数集中，N和K（也包括E_min 和 E_max）的取值范围如下：

参数	float	单精度扩展指数集合	double	双精度扩展指数集合
N	24	24	53	53
K	8	≥ 11	11	≥ 15
Emax	+127	≥ +1023	+1023	≥ +16383
Emin	-126	≤ -1022	-1022	≤ -16382

　　当虚拟机实现一个或者都实现的扩展指数集，这里有一个和实现无关的限制参数K，见上表中的具体限制。参数K同时决定了E_min和E_max的范围。

　　注意上表中的限制是经过设计的，从而保证每一个单精度浮点数必然是一个单精度扩展指数、双精度浮点数和双精度扩展指数。同样的，每一个双精度浮点数必然是双精度扩展指数。所以每一个扩展的指数集比对应的标准集具有更大的范围，但是会损失精度。

　　单精度浮点数集中的元素可以精确的表示为IEEE 754标准中的单精度浮点格式，除了NaN（IEEE 754中描述了2²⁴-2中不同的NaN值）。双精度浮点数集中的元素可以精确的表示为IEEE 754标准中的双精度浮点格式，除了NaN（IEEE 754中描述了2⁵³-2中不同的NaN值）。注意，这里定义的单精度扩展指数和双精度扩展指数和IEEE 754中对应的单精度扩展和双精度扩展并不对应。不过除了 Class 文件格式中必要的浮点数表示描述以外，本规范并不特别要求表示浮点数值表示形式。　

　　上面提到的单精度浮点数集合、单精度扩展指数集合、双精度浮点数集合和双精度扩展指数集合都并不是具体的数据类型。虚拟机实现使用一个单精度浮点数集合的元素来表示一个 float 类型的数值在所有场景中都是可行的，但是在某些特定的上下文环境中，也允许虚拟机实现使用单精度扩展指数集合的元素来代替。类似的，虚拟机实现使用一个双精度浮点数集合的元素来表示一个double 类型的数值在所有场景中都是可行的，但是在某些特定的上下文环境中，也允许虚拟机实
现使用双精度扩展指数集合的元素来代替。
　　除了 NaN 以外，浮点数集合中的所有元素都是有序的。如果把它们从小到大按顺序排列好，那顺序将会是：负无穷，可数负数、正负零、可数正数、正无穷。
浮点数中，正数零和负数零是相等的，但是它们有一些操作会有区别。例如 1.0 除以 0.0 会产生正无穷大的结果，而 1.0 除以-0.0 则会产生负无穷大的结果。
NaN 是无序的，对它进行任何的数值比较和等值测试都会返回 false 的比较结果。值得一提的是，有且只有 NaN 一个数与自身比较是否数值上相等时会得到 false 的比较结果，任何数字与NaN 进行非等值比较都会返回 true。

2.3.3 returnAddress 类型和值

　　returnAddress类型被java虚拟机使用在jsr，ret和jsr_w指令中。returnAddress的值是java虚拟机指令操作码的指针。和基本的数字类型不同，returnAddress在java编程语言中没有对应的类型，同时在运行的程序中无法被修改。

2.3.4 布尔类型

　　尽管java虚拟机定义了boolean类型，但是仅仅提供了非常有限的支持。java虚拟机没有单独专门的指令来操作布尔值。相反，java编程语言中的表达式涉及到boolean类型的值会被编译为java虚拟机中的int类型。

　　java虚拟机直接支持布尔数组。java虚拟机中的newarray指令允许创建boolean类型的数组。boolean类型数组的元素通过byte数组指令baload和bastore来访问和修改。

　　java虚拟机将boolean数组元素编码成1和0分别表示true和false。java编程语言中boolean值会被编译器映射为java虚拟机中类型int，编译器必须使用相同的编码方式。

2.4 引用类型和值

　　总共又三种类型的引用类型(reference)：类类型（class types），数组类型（array types）以及接口类型（interface types），它们的值分别表示动态创建的类实例，数组和类实例或者数组实现的接口。

　　数组类型由具有单个维度的组件类型（component type）组成（其长度不是由类型给出的）。数组的组件类型本身也可以是数组类型。但从任意一个数组开始，如果发现其组件类型也是数组类型的话，继续重复取这个数组的组件类型，这样操作不断执行，最终一定可以遇到组件类型不是数组的情况，这时就把这种类型成为数组类型的元素类型（Element Type）。数组的元素类型必须是原始类型、类类型或者接口类型之中的一种。

　　引用值也可以是特殊的空引用，对无对象的引用，这里将用null表示。null引用本质上没有任何的运行时类型，但是可以转变为任意类型。引用类型的默认值时null。

　　本规范没有强制将null编程成一个具体的值。