Java程序员必了解的JVM原理以及虚拟机的运行过程

JVM概念

虚拟机：指以软件的方式模拟具有完整硬件，VM概念

虚拟机：指以软件的方式模拟具有完整硬件系统功能、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统 ，是物理机的软件实现。常用的虚拟机有VMWare，Visual Box，Java Virtual Machine（Java虚拟机，简称JVM）。

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码)，就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够"一次编译，到处运行"的原因。

Java虚拟机阵营：Sun HotSpot VM、BEA JRockit VM、IBM J9 VM、Azul VM、Apache Harmony、Google Dalvik VM、Microsoft JVM…

启动流程





JVM由三个主要的子系统构成：

1.类加载器子系统

2.运行时数据区（内存）

3.执行引擎





JVM原理

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种基于下层的操作系统和硬件平台并利用软件方法来实现的抽象的计算机，可以在上面执行java的字节码程序。

java编译器只需面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译器，编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。

JVM执行程序的过程 :

I.加载.class文件

II.管理并分配内存

III.执行垃圾收集

JRE(java运行时环境)包含JVM的java程序的运行环境

JVM是Java程序运行的容器,但是他同时也是操作系统的一个进程,因此他也有他自己的运行的生命周期,也有自己的代码和数据空间。

JVM在整个jdk中处于最底层,负责与操作系统的交互,用来屏蔽操作系统环境,提供一个完整的Java运行环境,因此也叫虚拟计算机.操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境。

1.创建JVM装载环境和配置

2.装载JVM.dll

3.初始化JVM.dll并挂接到JNIENV(JNI调用接口)实例

4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

寄存器

所有的CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组。如果虚拟机定义较多的寄存器，便可以从中得到更多的信息而不必对栈或内存进行访问，这有利于提高运行速度。然而，如果虚拟机中的寄存器比实际CPU的寄存器多，在实现虚拟机时就会占用处理器大量的时间来用常规存储器模拟寄存器，这反而会降低虚拟机的效率。针对这种情况，JVM只设置了4个最为常用的寄存器。它们是:

pc程序计数器

optop操作数栈顶指针

frame当前执行环境指针

vars指向当前执行环境中第一个局部变量的指针

所有寄存器均为32位。pc用于记录程序的执行。optop,frame和vars用于记录指向Java栈区的指针。寄存器

栈结构

作为基于栈结构的计算机，Java栈是JVM存储信息的主要方法。当JVM得到一个Java字节码应用程序后，便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架，以保存该方法的状态信息。每个栈框架包括以下三类信息:

局部变量

执行环境

操作数栈

局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。vars寄存器指向该变量表中的第一个局部变量。

执行环境用于保存解释器对Java字节码进行解释过程中所需的信息。它们是:上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。执行环境是一个执行一个方法的控制中心。例如:如果解释器要执行iadd(整数加法)，首先要从frame寄存器中找到当前执行环境，而后便从执行环境中找到操作数栈，从栈顶弹出两个整数进行加法运算，最后将结果压入栈顶。

操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果。

运行数据

JVM定义了若干个程序执行期间使用的数据区域。这个区域里的一些数据在JVM启动的时候创建，在JVM退出的时候销毁。而其他的数据依赖于每一个线程，在线程创建时创建，在线程退出时销毁。分别有程序计数器，堆，栈，方法区，运行时常量池。

运行过程

上面对虚拟机的各个部分进行了比较详细的说明，下面通过一个具体的例子来分析它的运行过程。

虚拟机通过调用某个指定类的方法main启动，传递给main一个字符串数组参数，使指定的类被装载，同时链接该类所使用的其它的类型，并且初始化它们。新建一java源文件并取名HelloApp.java，内容如下:

class HelloApp {

public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello World!");

for (int i = 0; i < args.length; i++ ) {

System.out.println(args);

}

}

}

在命令模式下输入:javac HelloApp.java 进行编译，这时同目录下会产生一个编译后的文件:HelloApp.class

然后在命令行模式下键入:java HelloApp run virtual machine

将通过调用HelloApp的方法main来启动java虚拟机，传递给main一个包含三个字符串"run"、"virtual"、"machine"的数组。我们略述虚拟机在执行HelloApp时可能采取的步骤。





JVM虚拟机运行过程

开始试图执行类HelloApp的main方法，发现该类并没有被装载，也就是说虚拟机当前不包含该类的二进制代表，于是虚拟机使用ClassLoader试图寻找这样的二进制代表。如果这个进程失败，则抛出一个异常。类被装载后同时在main方法被调用之前，必须对类HelloApp与其它类型进行链接然后初始化。链接包含三个阶段:检验，准备和解析。检验检查被装载的主类的符号和语义，准备则创建类或接口的静态域以及把这些域初始化为标准的默认值，解析负责检查主类对其它类或接口的符号引用，在这一步它是可选的。类的初始化是对类中声明的静态初始化函数和静态域的初始化构造方法的执行。一个类在初始化之前它的父类必须被初始化。





结尾

最后，小编为大家准备了一套2019年Java学习教程以及视频讲解，交流群894180257，欢迎大家进来讨论哦~小编也会日常更新资料，可以点击收藏加关注哦

系统功能、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统 ，是物理机的软件实现。常用的虚拟机有VMWare，Visual Box，Java Virtual Machine（Java虚拟机，简称JVM）。

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码)，就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够"一次编译，到处运行"的原因。

Java虚拟机阵营：Sun HotSpot VM、BEA JRockit VM、IBM J9 VM、Azul VM、Apache Harmony、Google Dalvik VM、Microsoft JVM…

启动流程

蚂蚁课堂带你学Java

JVM由三个主要的子系统构成：

1.类加载器子系统

2.运行时数据区（内存）

3.执行引

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JVM原理

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种基于下层的操作系统和硬件平台并利用软件方法来实现的抽象的计算机，可以在上面执行java的字节码程序。

java编译器只需面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译器，编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。

JVM执行程序的过程 :

I.加载.class文件

II.管理并分配内存

III.执行垃圾收集

JRE(java运行时环境)包含JVM的java程序的运行环境

JVM是Java程序运行的容器,但是他同时也是操作系统的一个进程,因此他也有他自己的运行的生命周期,也有自己的代码和数据空间。

JVM在整个jdk中处于最底层,负责与操作系统的交互,用来屏蔽操作系统环境,提供一个完整的Java运行环境,因此也叫虚拟计算机.操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境。

1.创建JVM装载环境和配置

2.装载JVM.dll

3.初始化JVM.dll并挂接到JNIENV(JNI调用接口)实例

4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

寄存器

所有的CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组。如果虚拟机定义较多的寄存器，便可以从中得到更多的信息而不必对栈或内存进行访问，这有利于提高运行速度。然而，如果虚拟机中的寄存器比实际CPU的寄存器多，在实现虚拟机时就会占用处理器大量的时间来用常规存储器模拟寄存器，这反而会降低虚拟机的效率。针对这种情况，JVM只设置了4个最为常用的寄存器。它们是:

pc程序计数器

optop操作数栈顶指针

frame当前执行环境指针

vars指向当前执行环境中第一个局部变量的指针

所有寄存器均为32位。pc用于记录程序的执行。optop,frame和vars用于记录指向Java栈区的指针。寄存器

栈结构

作为基于栈结构的计算机，Java栈是JVM存储信息的主要方法。当JVM得到一个Java字节码应用程序后，便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架，以保存该方法的状态信息。每个栈框架包括以下三类信息:

局部变量

执行环境

操作数栈

局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。vars寄存器指向该变量表中的第一个局部变量。

执行环境用于保存解释器对Java字节码进行解释过程中所需的信息。它们是:上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。执行环境是一个执行一个方法的控制中心。例如:如果解释器要执行iadd(整数加法)，首先要从frame寄存器中找到当前执行环境，而后便从执行环境中找到操作数栈，从栈顶弹出两个整数进行加法运算，最后将结果压入栈顶。

操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果。

运行数据

JVM定义了若干个程序执行期间使用的数据区域。这个区域里的一些数据在JVM启动的时候创建，在JVM退出的时候销毁。而其他的数据依赖于每一个线程，在线程创建时创建，在线程退出时销毁。分别有程序计数器，堆，栈，方法区，运行时常量池。

运行过程

上面对虚拟机的各个部分进行了比较详细的说明，下面通过一个具体的例子来分析它的运行过程。

虚拟机通过调用某个指定类的方法main启动，传递给main一个字符串数组参数，使指定的类被装载，同时链接该类所使用的其它的类型，并且初始化它们。新建一java源文件并取名HelloApp.java，内容如下:

class HelloApp {

public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello World!");

for (int i = 0; i < args.length; i++ ) {

System.out.println(args);

}

}

}

在命令模式下输入:javac HelloApp.java 进行编译，这时同目录下会产生一个编译后的文件:HelloApp.class

然后在命令行模式下键入:java HelloApp run virtual machine

将通过调用HelloApp的方法main来启动java虚拟机，传递给main一个包含三个字符串"run"、"virtual"、"machine"的数组。我们略述虚拟机在执行HelloApp时可能采取的步骤。

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JVM虚拟机运行过程

开始试图执行类HelloApp的main方法，发现该类并没有被装载，也就是说虚拟机当前不包含该类的二进制代表，于是虚拟机使用ClassLoader试图寻找这样的二进制代表。如果这个进程失败，则抛出一个异常。类被装载后同时在main方法被调用之前，必须对类HelloApp与其它类型进行链接然后初始化。链接包含三个阶段:检验，准备和解析。检验检查被装载的主类的符号和语义，准备则创建类或接口的静态域以及把这些域初始化为标准的默认值，解析负责检查主类对其它类或接口的符号引用，在这一步它是可选的。类的初始化是对类中声明的静态初始化函数和静态域的初始化构造方法的执行。一个类在初始化之前它的父类必须被初始化。