Java（JVM）虚拟机结构基础

核心提示：前段时间由于研究原来广为传播的String和StringBuffer的性能问题，自己做了几个小实验并得出一些结论，Java（JVM）虚拟机结构基础，但是从网友的反应来看那个研究并没有起到应有的目的，而且网友也很中肯的提出了自己的意见并对实验中的一些内容指出了其缺陷，假如需要扩展，但是又没有足够的内存可用或者没有足够的内

　　前段时间由于研究原来广为传播的String和StringBuffer的性能问题，自己做了几个小实验并得出一些结论，但是从网友的反应来看那个研究并没有起到应有的目的，而且网友也很中肯的提出了自己的意见并对实验中的一些内容指出了其缺陷，针对他们的反应我又反编译了代码来进行对比， 但是几位网友仍然不是很信服，而且上次实验的结果和反编译得到的结论并不能完全吻合，因为反编译代码的对比基本上是基于语句的多少，因此这个这个对比也确实不能使人信服，但是这给我的下一步行动指引了方向：研究JVM指令和JVM结构，在对反编译后的代码有完全的理解才能给出可能使人信服的结论。

　　本文以及以后将要写的一些文章就是我研究JVM规范的一些心得，我希望在和大家共同理解的基础上进行我们下一轮的深入研究。

　　好，闲话少说，开始我们的正文。

　　JVM执行的对象就是大家非常熟悉的class文件，我们也称为类文件，JVM规范定义的这个编译完成的代码文件(虽然并非强制要求是实际的文件)的格式非常的详实，但是我们这里只说一些宏观的内容，以后有机会再研究细节的内容吧。JVM要求的类文件的格式是和硬件和操作系统无关的一种二进制格式，它精确定义了类或者接口的表示，它甚至包含了字节顺序这样的细节，而字节顺序在特定平台的目标文件格式中一般都是固定的，不会进行说明。

　　JVM所支持的数据类型和java语言规范中定义的几乎一样，请注重是几乎一样！也就是原始类型和引用类型，他们可以被存储在变量表中，也可以作为参数传递、被方法返回，更通常的就是成为操作的对象。为什么和Java语言规范中定义的不完全一样呢？因为JVM中有一种Java语言所没有的原始类型：返回地址类型(returnAddress type)。该类型是jsr, ret以及jsr_w指令需要使用到的，它的值是JVM指令的操作码的指针，并且它的值是不能被运行中的程序所修改的。

　　另外需要提到的就是布尔类型的值，虽然在Java语言中它是完全独立的值，但是在JVM中只提供了对它的有限支持，表现在：

　　没有单独的操作布尔类型的指令，源代码中的布尔类型的操作在编译以后是作为int类型的值进行操作的。

　　JVM直接支持布尔数组，newarray指令可以创建布尔数组，而它的访问和修改操作却是使用byte类型的数组的操作指令进行的：baload,bastore。(在JDK1.0，1,1以及1.2中，布尔数组被编码为byte数组，每个元素是8位)JVM用1代表true，用0代表false，编译器将源代码中的布尔类型映射为JVM中的int类型，而且必须和JVM的要求一致。

　　另外JVM规范中对于浮点类型的数据有大段的说明，我没有怎么看，主要是讨论JVM的浮点型和IEEE 754的关系的。

　　关于类型的另外一个需要提一下的是类型检查。JVM期望几乎所有的类型检查已经在运行之前完成了(通常是由编译器进行检查的)而不用JVM自己来检查。原始类型的值不需要被标记或者在运行时被检查以确定他们的类型，同样他们也不用和引用类型的值进行区分，区分工作是由JVM的指令集来完成的，JVM的指令集使用不同指令来区分它要操作的值的类型，例如iadd, ladd, fadd以及dadd是用于将两个数字相加并产生数字类型结果的所有JVM指令，但是每个指令都是针对特定类型的，分别对应int, long, float以及double。

　　JVM包含对对象的显式支持。类是动态分配的类实例或者是一个数组，JVM中的引用类型就是对一个对象的引用，引用类型的值可以想象为对象的指针，一个对象同时可能存在多个对它的引用，对象总是通过引用被操作、传递或者测试的。

　　对于引用类型，需要提及的一点就是关于null，它最初是没有运行时类型的，但是它可以被转换为任何类型，而且对于null，JVM并没有要求任何具体的值与之对应。

　　说完上面这些，我们就开始进入我学习JVM时最想了解的部分了，大家可要打起精神哦。

　　JVM为运行一个程序定义了几种数据区(Data Area)，包括：pc寄存器、JVM堆栈、堆、方法区(Method Area)、运行时常量池(Runtime Constant Pool)以及本机方法堆栈(Native Method Stacks)，这些数据区根据其生存期可以分为两种，一种就是和JVM的生存期相同(包括堆和方法区)，一种和线程的生存期相同(其它的)，和JVM生存期相同的数据区在JVM启动的时候被创建并在JVM退出的时候被销毁，而和线程生存期相同的数据区是每个线程一个的，他们在线程创建的时候被创建，在线程被销毁的时候被销毁。

　　由于JVM可以同时支持运行多个线程，因此每个线程必然需要各自的PC(PRogram counter)寄存器，无论从什么角度讲，每个JVM线程只能在一个时间只能执行一个方法，该方法也就是线程的当前方法，假如该方法不是本机方法，那么PC寄存器保存的就是当前指令(JVM的指令)的地址，假如是当前方法是本机方法，PC寄存器的值就没有被定义。JVM的PC寄存器的大小足够大，可以容纳一个returnAddress类型或者特定平台的本机指针。

　　每个JVM线程还拥有一个私有的JVM堆栈，它存储帧(下一篇文章会讲到)。JVM堆栈和像C这样的传统编程语言中的堆栈是类似的，它保存局部变量和部分结果，并且在方法调用和返回中也担任一些职责。因为除了对帧的压入和弹出操作外，对JVM堆栈不能直接进行操作，因此帧可能是在堆上分配的。假如一个线程中计算所需的JVM堆栈大于答应的大小，JVM会抛出StackOverflowError错误，假如JVM堆栈是可以动态伸缩的，假如需要扩展，但是又没有足够的内存可用或者没有足够的内存为一个新线程创建JVM堆栈，JVM会抛出OutOfMemoryError错误。