Java 虛擬機(jī)(JVM)是可運(yùn)行Java 代碼的假想計(jì)算機(jī)。只要根據(jù)JVM規(guī)格描述將解釋器移植到特定的計(jì)算機(jī)上，就能保證經(jīng)過編譯的任何Java代碼能夠在該系統(tǒng)上運(yùn)行。本文首先簡要介紹從Java文件的編譯到最終執(zhí)行的過程，隨后對JVM規(guī)格描述作一說明。 一.Java源文件的編譯、下載 、解釋和執(zhí)行 Java應(yīng)用程序的開發(fā)周期包括編譯、下載 、解釋和執(zhí)行幾個部分。Java編譯程序?qū)ava源程序翻譯為JVM可執(zhí)行代碼?字節(jié)碼。這一編譯過程同C/C++ 的 編譯有些不同。當(dāng)C編譯器編譯生成一個對象的代碼時(shí)，該代碼是為在某一特定硬件平臺運(yùn)行而產(chǎn)生的。因此，在編譯過程中，編譯程序通過查表將所有對符號的引 用轉(zhuǎn)換為特定的內(nèi)存偏移量，以保證程序運(yùn)行。Java編譯器卻不將對變量和方法的引用編譯為數(shù)值引用，也不確定程序執(zhí)行過程中的內(nèi)存布局，而是將這些符號 引用信息保留在字節(jié)碼中，由解釋器在運(yùn)行過程中創(chuàng)立內(nèi)存布局，然后再通過查表來確定一個方法所在的地址。這樣就有效的保證了Java的可移植性和安全 性。 運(yùn)行JVM字節(jié)碼的工作是由解釋器來完成的。解釋執(zhí)行過程分三部進(jìn)行：代碼的裝入、代碼的校驗(yàn)和代碼的執(zhí)行。裝入代碼的工作由"類裝載器"（class loader）完成。類裝載器負(fù)責(zé)裝入運(yùn)行一個程序需要的所有代碼，這也包括程序代碼中的類所繼承的類和被其調(diào)用的類。當(dāng)類裝載器裝入一個類時(shí)，該類被放 在自己的名字空間中。除了通過符號引用自己名字空間以外的類，類之間沒有其他辦法可以影響其他類。在本臺計(jì)算機(jī)上的所有類都在同一地址空間內(nèi)，而所有從外 部引進(jìn)的類，都有一個自己獨(dú)立的名字空間。這使得本地類通過共享相同的名字空間獲得較高的運(yùn)行效率，同時(shí)又保證它們與從外部引進(jìn)的類不會相互影響。當(dāng)裝入 了運(yùn)行程序需要的所有類后，解釋器便可確定整個可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局。解釋器為符號引用同特定的地址空間建立對應(yīng)關(guān)系及查詢表。通過在這一階段確定代碼的 內(nèi)存布局，Java很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問題，同時(shí)也防止了代碼對地址的非法訪問。 隨后，被裝入的代碼由字節(jié)碼校驗(yàn)器進(jìn)行檢查。校驗(yàn)器可發(fā)現(xiàn)操作數(shù)棧溢出，非法數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化等多種錯誤。通過校驗(yàn)后，代碼便開始執(zhí)行了。 Java字節(jié)碼的執(zhí)行有兩種方式： 1.即時(shí)編譯方式：解釋器先將字節(jié)碼編譯成機(jī)器碼，然后再執(zhí)行該機(jī)器碼。 2.解釋執(zhí)行方式：解釋器通過每次解釋并執(zhí)行一小段代碼來完成Java字節(jié)碼程 序的所有操作。 通常采用的是第二種方法。由于JVM規(guī)格描述具有足夠的靈活性，這使得將字節(jié)碼翻譯為機(jī)器代碼的工作 具有較高的效率。對于那些對運(yùn)行速度要求較高的應(yīng)用程序，解釋器可將Java字節(jié)碼即時(shí)編譯為機(jī)器碼，從而很好地保證了Java代碼的可移植性和高性能。 二.JVM規(guī)格描述 JVM的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一個基于抽象規(guī)格描述的計(jì)算機(jī)模型，為解釋程序開發(fā)人員提很好的靈活性，同時(shí)也確保Java代碼可在符合該規(guī)范的任何系統(tǒng)上運(yùn) 行。JVM對其實(shí)現(xiàn)的某些方面給出了具體的定義，特別是對Java可執(zhí)行代碼，即字節(jié)碼(Bytecode)的格式給出了明確的規(guī)格。這一規(guī)格包括操作碼 和操作數(shù)的語法和數(shù)值、標(biāo)識符的數(shù)值表示方式、以及Java類文件中的Java對象、常量緩沖池在JVM的存儲 映象。這些定義為JVM解釋器開發(fā)人員提供了所需的信息和開發(fā)環(huán)境。Java的設(shè)計(jì)者希望給開發(fā)人員以隨心所欲使用Java的自由。 JVM定義了控制Java代碼解釋執(zhí)行和具體實(shí)現(xiàn)的五種規(guī)格，它們是： JVM指令系統(tǒng) JVM寄存器 JVM棧結(jié)構(gòu) JVM碎片回收堆 JVM存儲 區(qū) 2.1JVM指令系統(tǒng) JVM指令系統(tǒng)同其他計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)極其相似。Java指令也是由 操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼為8位二進(jìn)制數(shù)，操作數(shù)進(jìn)緊隨在操作碼的后面，其長度根據(jù)需要而不同。操作碼用于指定一條指令操作的性質(zhì)（在這里我們采 用匯編符號的形式進(jìn)行說明），如iload表示從存儲器中裝入一個整數(shù)，anewarray表示為一個新數(shù)組分配空間，iand表示兩個整數(shù)的" 與"，ret用于流程控制，表示從對某一方法的調(diào)用中返回。當(dāng)長度大于8位時(shí)，操作數(shù)被分為兩個以上字節(jié)存放。JVM采用了"big endian"的編碼方式來處理這種情況，即高位bits存放在低字節(jié)中。這同 Motorola及其他的RISC CPU采用的編碼方式是一致的，而與Intel采用的"little endian "的編碼方式即低位bits存放在低位字節(jié)的方法不同。 Java指令系統(tǒng)是以Java語言的實(shí)現(xiàn)為目的設(shè)計(jì)的，其中包含了用于調(diào)用方法和監(jiān)視多先程系統(tǒng)的指令。Java的8位操作碼的長度使得JVM最多有256種指令，目前已使用了160多種操作碼。 2.2JVM指令系統(tǒng) 所有的CPU均包含用于保存系統(tǒng)狀態(tài)和處理器所需信息的寄存器組。如果虛擬機(jī)定義較多的寄存器，便可以從中得到更多的信息而不必對棧或內(nèi)存進(jìn)行訪問，這 有利于提高運(yùn)行速度。然而，如果虛擬機(jī)中的寄存器比實(shí)際CPU的寄存器多，在實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)時(shí)就會占用處理器大量的時(shí)間來用常規(guī)存儲器模擬寄存器，這反而會降 低虛擬機(jī)的效率。針對這種情況，JVM只設(shè)置了4個最為常用的寄存器。它們是： pc程序計(jì)數(shù)器 optop操作數(shù)棧頂指針 frame當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境指針 vars指向當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境中第一個局部變量的指針 所有寄存器均為32位。pc用于記錄程序的執(zhí)行。optop,frame和vars用于記錄指向Java棧區(qū)的指針。 2.3JVM棧結(jié)構(gòu) 作為基于棧結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，Java棧是JVM存儲信息的主要方法。當(dāng)JVM得到一個Java字節(jié)碼應(yīng)用程序后，便為該代碼中一個類的每一個方法創(chuàng)建一個棧框架，以保存該方法的狀態(tài)信息。每個棧框架包括以下三類信息： 局部變量 執(zhí)行環(huán)境 操作數(shù)棧 局部變量用于存儲一個類的方法中所用到的局部變量。vars寄存器指向該變量表中的第一個局部變量。 執(zhí)行環(huán)境用于保存解釋器對Java字節(jié)碼進(jìn)行解釋過程中所需的信息。它們是：上次調(diào)用的方法、局部變量指針和操作數(shù)棧的棧頂和棧底指針。執(zhí)行環(huán)境是一個 執(zhí)行一個方法的控制中心。例如：如果解釋器要執(zhí)行iadd(整數(shù)加法)，首先要從frame寄存器中找到當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境，而后便從執(zhí)行環(huán)境中找到操作數(shù)棧， 從棧頂彈出兩個整數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，最后將結(jié)果壓入棧頂。 操作數(shù)棧用于存儲運(yùn)算所需操作數(shù)及運(yùn)算的結(jié)果。 2.4JVM碎片回收堆 Java類的實(shí)例所需的存儲空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔(dān)為類實(shí)例分配空間的工作。解釋器在為一個實(shí)例分配完存儲空間后，便開始記錄對該實(shí)例所占用的內(nèi)存區(qū)域的使用。一旦對象使用完畢，便將其回收到堆中。 在Java語言中，除了new語句外沒有其他方法為一對象申請和釋放內(nèi)存。對內(nèi)存進(jìn)行釋放和回收的工作是由Java運(yùn)行系統(tǒng)承擔(dān)的。這允許Java運(yùn)行 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者自己決定碎片回收的方法。在SUN公司開發(fā)的Java解釋器和Hot Java環(huán)境中，碎片回收用后臺線程的方式來執(zhí)行。這不但為運(yùn)行系統(tǒng)提供了良好的性能，而且使程序設(shè)計(jì)人員擺脫了自己控制內(nèi)存使用的風(fēng)險(xiǎn)。 2.5JVM存儲區(qū) JVM有兩類存儲區(qū)：常量緩沖池和方法區(qū)。常量緩沖池用于存儲類名稱、方法和字段名稱以及串常量。方法區(qū)則用于存儲Java方法的字節(jié)碼。對于這兩種存 儲區(qū)域具體實(shí)現(xiàn)方式在JVM規(guī)格中沒有明確規(guī)定。這使得Java應(yīng)用程序的存儲布局必須在運(yùn)行過程中確定，依賴于具體平臺的實(shí)現(xiàn)方式。 JVM是為Java字節(jié)碼定義的一種獨(dú)立于具體平臺的規(guī)格描述，是Java平臺獨(dú)立性的基礎(chǔ)。目前的JVM還存在一些限制和不足，有待于進(jìn)一步的完善，但無論如何，JVM的思想是成功的。 對比分析：如果把Java原程序想象成我們的C++ 原 程序，Java原程序編譯后生成的字節(jié)碼就相當(dāng)于C++原程序編譯后的80x86的機(jī)器碼（二進(jìn)制程序文件），JVM虛擬機(jī)相當(dāng)于80x86計(jì)算機(jī)系 統(tǒng),Java解釋器相當(dāng)于80x86CPU。在80x86CPU上運(yùn)行的是機(jī)器碼，在Java解釋器上運(yùn)行的是Java字節(jié)碼。 Java解釋器相當(dāng)于運(yùn)行Java字節(jié)碼的“CPU”,但該“CPU”不是通過硬件實(shí)現(xiàn)的，而是用軟件實(shí)現(xiàn)的。Java解釋器實(shí)際上就是特定的平臺下的一 個應(yīng)用程序。只要實(shí)現(xiàn)了特定平臺下的解釋器程序，Java字節(jié)碼就能通過解釋器程序在該平臺下運(yùn)行，這是Java跨平臺的根本。當(dāng)前，并不是在所有的平臺 下都有相應(yīng)Java解釋器程序，這也是Java并不能在所有的平臺下都能運(yùn)行的原因，它只能在已實(shí)現(xiàn)了Java解釋器程序的平臺下運(yùn)行。
Java主要靠Java虛擬機(jī)（JVM）在目標(biāo)碼級實(shí)現(xiàn)平臺無關(guān)性。JVM是一種抽象機(jī)器，它附著在具體操作系統(tǒng)之上，本身具有一套虛機(jī)器指令，并有自己的棧、寄存器組等。但JVM通常是在軟件上而不是在硬件上實(shí)現(xiàn)。（目前，SUN系統(tǒng)公司已經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Java芯片，主要使用在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)NC上。另外，Java芯片的出現(xiàn)也會使Java更容易嵌入到家用電器中。）JVM是Java平臺無關(guān)的基礎(chǔ)，在JVM上，有一個Java解釋器用來解釋Java編譯器編譯后的程序。Java編程人員在編寫完軟件后，通過Java編譯器將Java源程序編譯為JVM的字節(jié)代碼。任何一臺機(jī)器只要配備了Java解釋器，就可以運(yùn)行這個程序，而不管這種字節(jié)碼是在何種平臺上生成的（過程如圖1所示）。另外，Java采用的是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型。通過JVM保證數(shù)據(jù)類型的一致性，也確保了Java的平臺無關(guān)性。
簡單說，java的解釋器只是一個基于虛擬機(jī)jvm平臺的程序