Java虚拟机体系结构
2009-11-10 21:00:42 来源:WEB开发网 闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閻愵剙鍔ょ紓宥咃躬瀵鎮㈤崗灏栨嫽闁诲酣娼ф竟濠偽i鍓х<闁绘劦鍓欓崝銈囩磽瀹ュ拑韬€殿喖顭烽幃銏ゅ礂鐏忔牗瀚介梺璇查叄濞佳勭珶婵犲伣锝夘敊閸撗咃紲闂佺粯鍔﹂崜娆撳礉閵堝洨纾界€广儱鎷戦煬顒傗偓娈垮枛椤兘骞冮姀銈呯閻忓繑鐗楃€氫粙姊虹拠鏌ュ弰婵炰匠鍕彾濠电姴浼i敐澶樻晩闁告挆鍜冪床闂備胶绮崝锕傚礈濞嗘挸绀夐柕鍫濇川绾剧晫鈧箍鍎遍幏鎴︾叕椤掑倵鍋撳▓鍨灈妞ゎ厾鍏橀獮鍐閵堝懐顦ч柣蹇撶箲閻楁鈧矮绮欏铏规嫚閺屻儱寮板┑鐐板尃閸曨厾褰炬繝鐢靛Т娴硷綁鏁愭径妯绘櫓闂佸憡鎸嗛崪鍐簥闂傚倷娴囬鏍垂鎼淬劌绀冮柨婵嗘閻﹂亶姊婚崒娆掑厡妞ゃ垹锕ら埢宥夊即閵忕姷顔夐梺鎼炲労閸撴瑩鎮橀幎鑺ョ厸闁告劑鍔庢晶鏇犵磼閳ь剟宕橀埞澶哥盎闂婎偄娲ゅù鐑剿囬敃鈧湁婵犲﹤鐗忛悾娲煛鐏炶濡奸柍瑙勫灴瀹曞崬鈻庤箛鎾寸槗缂傚倸鍊烽梽宥夊礉鎼达絽鍨濇い鏍仜妗呴梺鍛婃处閸ㄦ壆绮婚幎鑺ュ€甸柨婵嗙凹缁ㄨ棄霉閻樿崵鐣烘慨濠冩そ濡啫鈽夊▎鎰€烽梺璇插閻噣宕¢幎鑺ュ仒妞ゆ洍鍋撶€规洖鐖奸、妤佸緞鐎n偅鐝┑鐘愁問閸n垳寰婇崜褉鍋撶粭娑樻搐缁犳煡鏌涢妷顔煎闁藉啰鍠栭弻锝夊棘閹稿孩鍠愰梺鑽ゅ枎缂嶅﹪寮诲☉鈶┾偓锕傚箣濠靛洨浜俊鐐€ら崜娆撴偋閸℃稈鈧棃宕橀鍢壯囧箹缁厜鍋撻懠顒€鍤紓鍌氬€风欢锟犲窗濡ゅ懎绠伴柟闂寸劍閸嬧晠鏌i幋锝嗩棄缁绢厸鍋撻梻浣虹帛閸旀洜绮旈棃娴虫盯宕橀鍏兼К闂侀€炲苯澧柕鍥у楠炴帡骞嬪┑鎰磻闁诲氦顫夐幐椋庣矆娓氣偓閸╃偤骞嬮敂钘変汗闂佸湱绮敮鈺傚閳ь剛绱撴担鐟板姢鐟滄壆鍋熼崚鎺戔枎閹惧疇鎽曞┑鐐村灦閻喖鈻介鍫熺厵閻熸瑥瀚慨鍥ㄣ亜閵夛妇绠炴慨濠冩そ閺屽懘鎮欓懠璺侯伃婵犫拃鍌氬祮闁哄瞼鍠栭幖褰掝敃閿濆懐锛撻梻浣瑰缁诲嫰宕戝☉銏犵厴闁瑰濮崑鎾绘晲鎼存ê浜炬い鎾寸⊕濞呭﹪鏌$仦鐣屝f繛纰变邯楠炲繒浠﹂挊澶婅厫闂傚倷鐒﹂惇褰掑磹閺囥垹绠犻柟閭﹀枟椤洟鏌熼幆褏鎽犲┑顖涙尦閺屾盯骞橀弶鎴犵シ闂佸憡鎸稿畷顒勨€旈崘顔嘉ч柛鈩冾殘娴犳悂姊洪懡銈呮毐闁哄懏鐩幃楣冩倻閽樺)銊ф喐婢舵劕纾婚柟鍓х帛閺呮煡骞栫划鐟板⒉闁诲繐绉瑰铏圭磼濡闉嶅┑鐐插级閿曘垺淇婇悽绋跨妞ゆ牗姘ㄩ悿鈧梻鍌氬€搁悧濠勭矙閹邦喛濮抽柤娴嬫櫇绾捐棄霉閿濆牊顥夐柣鎾村姈閹便劌螣缁嬪灝顬嬪┑鈥冲级閸旀瑩鐛Ο鍏煎珰闁肩⒈鍓﹀Σ浼存⒒娴gǹ鏆遍柟纰卞亰瀹曟劖绻濆В绋挎喘瀵埖鎯旈幘瀛樻澑婵$偑鍊栧濠氬Υ鐎n亶鍟呴柕澶涜礋娴滄粍銇勯幘璺轰粶婵℃彃顭烽弻锝夋晲閸パ冨箣濡ょ姷鍋炵敮锟犵嵁鐎n喖绫嶉柍褜鍓熼幃妤佺節濮橆厸鎷洪柣鐔哥懃鐎氼參宕曞Δ鍛厱婵☆垵銆€閸嬫捇鎮㈤幓鎺戠阀濠电姷鏁告慨鐑藉极閸涘﹥鍙忛柣鎴f閺嬩線鏌涘☉姗堟敾闁告瑥绻戦妵鍕箻閸楃偟浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厓闂佸灝顑呴悘锕傛煏閸パ冾伃妤犵偞甯″畷鍗烆渻閹屾缂傚倸鍊搁崐椋庣矆娓氣偓钘濋梺顒€绉撮弸浣糕攽閻樿櫕鐨戠€规挷绶氶弻娑㈠焺閸愵亖濮囬梺绋匡功閸忔﹢寮诲☉妯锋斀闁糕剝顨忔导鈧俊鐐€栧褰掑礉閺囥垹鐓橀柟杈鹃檮閸婂鏌涢妷銏℃珖閺嶏繝姊绘担鍛婂暈闁圭ǹ顭烽幃鐑芥晜閻e备鏀虫繝鐢靛Т濞诧箓宕甸崘顔界厓闁告繂瀚弳鐔兼煥濞戞瑧鐭掓慨濠囩細閵囨劙骞掗幋婊冩瀳闂備礁鎲¢悷銉︻殽閹间礁鐓濋柟鐐灱閸亪鏌涢銈呮灁闁告ɑ鎮傞弻锝堢疀閺囩偘鎴风紒缁㈠幖閻栫厧鐣烽幋锕€绠婚悹鍥皺閻も偓濠电偠鎻徊浠嬪箟閿熺姴纾规い鏍仦閳锋垹鐥鐐村櫣濞存粌缍婇幃璺衡槈閺嵮冨Е闂佺硶鏂侀崑鎾愁渻閵堝棗绗掗柛鐕佸亰閹啫煤椤忓懐鍘告繛杈剧到濠€杈ㄦ櫠椤忓牊鐓冮悷娆忓閻忔挳鏌熼鐣屾噰鐎殿喖鐖奸獮瀣偐鏉堫煈鏁囬梻鍌氬€风粈浣革耿鏉堛劎浠氶梻浣侯攰婵倗鍒掓惔銊ョ闁圭儤顨呯猾宥夋煕椤愩倕鏋庡ù鐘烘缁辨挻鎷呴崜鎻掑壍濡炪倖娲樻繛濠囧极閸愵喖纾兼繛鎴炶壘楠炲牓姊绘担鍛婃儓婵炲眰鍨藉畷婵嗙暆閸曨剙鈧爼鏌eΟ鑲╁笡闁绘挻娲熼弻鐔兼嚋椤掆偓婵$厧霉濠婂嫬鍔ら柍瑙勫灴閺佸秹宕熼鈩冩線闂備胶枪閿曘儵鎮ч悩鑼殾婵犻潧顑嗛弲婵嬫煃瑜滈崜鐔煎灳閿曞倸閿ゆ俊銈傚亾闁绘帒鐏氶妵鍕箳瀹ュ牆鍘$紓浣哄Т婢т粙鍩€椤掆偓閸樻粓宕戦幘鏂ユ斀闁绘ǹ浜粣鏃堟煕鐎n偒娈旈柍瑙勫灴椤㈡瑧娑甸悜鐣屽弽婵犵數鍋涢幏鎴犲緤閸啣锝夊箛閺夎法顔婇梺鐟板暱绾绢參宕伴幘璇茬闁绘ḿ绮崵鎴︽煠缁嬭法浠涙慨锝嗗姍濮婂宕掑顑藉亾閻戣姤鍤勯柤鍝ユ暩娴犳碍绻濋悽闈涗粶妞ゆ洦鍙冨畷妤€螣娓氼垰娈ㄥ銈嗗姂閸婃牜鈧碍姘ㄩ埀顒傛嚀婢瑰﹪宕伴弽褉鏋旈柕濠忓缁♀偓闂佹眹鍨藉ḿ褎鐗庣紓浣哄亾濠㈡ḿ绮旈悷閭﹀殨闁哄被鍎辩粻鐢告煙閻戞ḿ绠橀柛鐐垫暬閺岋綁鎮╅悜姗嗕哗闁诲繐绻堥崝宀勵敊韫囨稑唯鐟滃宕戦幘鑸靛枂闁告洦鍓欑喊宥呪攽閳藉棗浜濈紒璇插€块敐鐐剁疀濞戞瑦鍎梺闈╁瘜閸橀箖鏁嶅⿰鍐f斀闁宠棄妫楅悘鐘绘煙绾板崬浜伴柨婵堝仜椤撳ジ宕堕埡鍐跨闯濠电偠鎻紞渚€藟閹捐绀夌€广儱顦伴悡娆戠磼鐎n亞浠㈤柡鍡涗憾閺岋綁鏁愰崶褍骞嬪Δ鐘靛仜椤戝寮崘顔肩劦妞ゆ帒鍊绘稉宥呪攽閻樺磭顣查柛瀣剁秮閺屾盯濡烽幋婵嗘殶濡ょ姴娲幃妤冩喆閸曨剙纰嶇紓浣割槹閹告娊鍨鹃弮鍫濈妞ゆ柨妲堣閺屾盯鍩勯崗鐙€浜Λ鍕吋閸モ晝锛濇繛杈剧到婢瑰﹪宕曢幇鐗堢厱闁靛ǹ鍎遍。宕囩磼椤旂⒈鍎忔い鎾冲悑瀵板嫮鈧綆浜栭崑鎾绘煥鐎c劋绨婚梺鐟版惈缁夊爼藝閿旈敮鍋撳▓鍨灈闁诲繑绻堥崺鐐哄箣閿曗偓閻擄繝鏌涢埄鍐炬畼濞寸媭鍨跺娲川婵犲海鍔堕梺鍛婃处閸欏骸煤閸涘﹣绻嗛柕鍫濈箳閸掍即鏌涢悤浣哥仸鐎规洘鍔欏畷褰掝敃閿濆懎浼庢繝纰樻閸ㄦ娊宕㈣缁傚秵銈i崘鈺佲偓鍨叏濡厧浜鹃悗姘炬嫹

核心提示:一、什么是java虚拟机Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现,Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统,Java虚拟机体系结构,1.为什么要使用Java虚拟机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
一、什么是java虚拟机
Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。
1.为什么要使用Java虚拟机
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语言使用模式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。
2.谁需要了解Java虚拟机
Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外,如果你想扩展Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地了解Java虚拟机。
3.Java虚拟机支持的数据类型
Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:
◆byte://1字节有符号整数的补码
◆short://2字节有符号整数的补码
◆int://4字节有符号整数的补码
◆long://8字节有符号整数的补码
◆float://4字节IEEE754单精度浮点数
◆double://8字节IEEE754双精度浮点数
◆char://2字节无符号Unicode字符
几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。操作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了操作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其操作数类型别是int、long、float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令,包括integer返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行Java数值计算程序时,可能会非常慢。
虚拟机支持的其它数据类型包括:
◆object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用
◆returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令
注:Java数组被当作object处理。
虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可移植性。
二、Java虚拟机体系结构
Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。
1.Java指令集
Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。
Java指令集中的指令包含一个单字节的操作符,用于指定要执行的操作,还有0个或多个操作数,提供操作所需的参数或数据。许多指令没有操作数,仅由一个单字节的操作符构成。
虚拟机的内层循环的执行过程如下:
do{
取一个操作符字节;
根据操作符的值执行一个动作;
}while(程序未结束)
由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中操作数的数量和大小是由操作符决定的。如果操作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为:
第一个字节*256+第二个字节字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tableswitch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。
2.寄存器
Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。
Java虚拟机的寄存器有四种:
◆pc:Java程序计数器。
◆optop:指向操作数栈顶端的指针。
◆frame:指向当前执行方法的执行环境的指针。
◆vars:指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。
Java虚拟机
Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。
所有寄存器都是32位的。
3.栈
Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、操作数区。
(1)局部变量区
每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到操作数栈的指令,也提供了把操作数栈中的值写入局部变量的指令。
(2)运行环境区 在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。
◆动态链接
运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。
◆正常的方法返回
如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。
◆异常和错误传播
异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用
•程序使用了throw语句。
当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:
•检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。
•与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行;如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的catch子句都被检查过。
•由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。
•如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。
(3)操作数栈区
机器指令只从操作数栈中取操作数,对它们进行操作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。操作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持操作的参数,并保存操作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是操作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相加,并把结果压回到操作数栈中。
每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的操作。每个操作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。操作数只能被适用于其类型的操作符所操作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数操作(操作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行操作时是不考虑类型的。
4.无用单元收集堆
Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集能力:它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。
5.方法区
方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中,方法代码不包括在无用单元收集堆中,但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范。
更多精彩
赞助商链接