文章目录

• JVM是什么
• 为什么学习JVM
• JVM的作用
• JVM的特点
• JVM的位置
• JVM的整体可以分为四个部分
• Java代码的执行流程
• JVM架构模型

JVM是什么

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写

JVM就是Java虚拟机，Java虚拟机就是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语言会使用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。

为什么学习JVM

为何现在的Java明明执行代码的效率没有C或者C++快，但是它依旧霸占企业开发那么多年。就正是因为JVM代替了我们对内存管理。

我们在真正的java开发中就没有考虑过对内存管理 ，不像C或C++还要考虑什么时候释放资源。我们java只需要考虑业务实现就行了。

但是JVM的处理又不是万能的，如果它出错了，对内存的管理出现了问题，就要我们人工的去给他做处理。

JVM的作用

Java虚拟机就是一个二进制的字节码运行环境，负责装载字节码到其内部，
本来我们写的代码在对于不同的操作系统这些，都要编译成这个操作系统能读懂的编码格式。
但是这也就体现出Java的多平台机制， 解释/编译都是在java的jvm虚拟机中进行。对应平台上的机器码指令执行，每一条java指令，Java虚拟机中都有详细的定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪儿。

而我们常常说Java语言是跨平台的语言。而这个跨平台实地值的就是JVM的跨平台机制。
JAVA具有了JVM，使得从软件层面屏蔽了底层硬件、指令层面的细节让他兼容各种系统。

而像C和C++这样的语言就需要在编译器层面去兼容不同操作系统的不同层面，在代码的书写方面有一些的不同

JVM的特点

☛ 通过一次编译可以到处运行
☛ 自动进行内存的管理
☛ 自动垃圾回收管理

发展到现在的JVM不仅仅可以执行java的字节码文件，还可以执行的其他的汇编语言编译后的字节码文件，是一个跨语言的平台

JVM的位置

JVM是运行在操作系统之上的，通过它使得编译后的代码可以向操作系统发起请求等操作，而它并没有直接和计算机硬件产生直接的交互。

根据官方的说明，Jdk中包括了Jre，Jre中包括了JVM

Jre大部分都是由 C 和 C++ 语言编写的，他是我们在编译java时所需要的基础的类库。

而Jdk还包括了一些Jre之外的东西 ，就是这些东西帮我们编译Java代码的， 还有就是监控Jvm的一些工具。

JVM的整体可以分为四个部分

1. 类加载器子系统（ClassLoader）
2. 运行时数据区（Runtime Data Area）
3. 执行引擎（Execution Engine）
4. 本地库接口（Native Interface）

JVM简图：
在运行时数据区中，方法区和堆都是线程共享的；
java栈、本地方法栈、程序计数器都是线程私有的。

JVM详细图：

各个组成部分对数据的处理

程序在执行之前先要把java代码转换成字节码（Class文件）

然后jvm再进行具体操作，jvm首先就需要把字节码（Class文件）通过一定的方式类加载子系统（ClassLoader） 将文件加载到内存中的运行时数据区（Runntime Data Area） ，而字节码文件是jvm的一套指令集规范，并不能直接去交给子系统去执行，因此这里就需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine） 将字节码翻译为最底层的系统指令，就可以交给CPU去处理执行处理这写指令。
而在这个处理的过程中还需要调用其它的语言接口（操作系统往往都是又C语言来写的，丢给系统的都不是用java语言写的）本地接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能。
这就是JVM的4个主要组成部分的职责与功能。

而我们通常所说的JVM组成指的是 运行时数据区（Runtime Data），因为通常需要程序员去调试分析的就是“运行时数据区”，或者更加具体的说就是“运行时数据区”里的堆（Heap）模块

Java代码的执行流程

在Java编译的过程中，任何一个节点执行失败就会造成编译的失败。虽然各个平台的Java虚拟机内部实现细节都各有不同，但是它们执行的字节码内容却是一样的。

而JVM的主要任务就是负责将字节码装载到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行，JVM使用类加器（Class Loader）装载Class文件。

类加载完成后，会进行字节码的检验，字节码校验通过之后JVM解释器就会把字节器翻译成机器码交由操作系统来执行。

但不是所有的代码都是解释执行，JVM 对此作了优化，比如 HotSpot 虚拟机， 它本身提供了 JIT(Just In Time)的编译器。

JVM架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另一种指令集架构就是基于寄存器的指令基架构 （比如C语言就可以直接对寄存器进行操作）。

这两者的区别：

1. 基于栈式架构的特点
   ● 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统。
   ● 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配。
   ● 使用零地址指令方式分配，其执行过程依赖于操作栈，指令集更小，编译器容易实现。
   ● 编译器容易实现。
   ● 不需要硬件支持，可移植性强，更好实现了跨平台。

2. 基于寄存器式架构的特点
   ● 典型的应用是x86的二进制指令集:比如传统的Pc以及Android的Davlik虚拟机。
   ● 指令完全依赖于硬件，可移植性差。
   性能优秀，执行更高效。
   ● 与栈式架构相比完成一项操作使用的指令更少。
   ● 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

举例：
同样执行2+3的逻辑操作，指令分别如下：

基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）
iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 //常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2,3出栈，执行相加操作
istore_0 //结果5入栈

基于寄存器的计算流程
mov eax，2 //将eax寄存器的值设为1
add eax，3 //将eax寄存器的值加3

相比之下明显的基于寄存器的计算流程明显少于基于栈的计算流程

总结：
所以由于跨平台的设计思想，Java指令集都是根据栈来设计的，不同CPU机构不同，所以不能设计为基本的寄存器。

优点就是跨平台，指令集小，编译器容易实现。

缺点就是性能下降，实现同样的功能所需要更多的指令。

说明：什么叫零地址指令，一地址指令，二地址指令，三地址指令？
零地址指令是只有操作码,没有操作数。这种指令有两种情况:一是无需操作数,另一种是操作数为默认的(隐含的),默认为操作数在寄存器中,指令可直接访问寄存器。

零地址指令：在堆栈型计算机中，操作数一般存放在下推堆栈顶的两个单元中,结果又放入栈顶,地址均被隐含，因而大多数指令只有操作码而没有地址域。

一地址指令：（单地址指令）地址域中A 确定第一操作数地址。固定使用某个寄存器存放第二操作数和操作结果。因而在指令中隐含了它们的地址。

二地址指令：地址域中A1确定第一操作数地址，A2同时确定第二操作数地址和结果地址。

三地址指令：一般地址域中A1、A2分别确定第一、第二操作数地址,A3确定结果地址。下一条指令的地址通常由程序计数器按顺序给出。

栈数据结构，一般只有入栈和出栈，所操作的地方只有栈顶元素位置，所以位置是确定的，不需要地址。