JVM（1）：介绍、结构、运行和生命周期

一、虚拟机

        所谓虚拟机（Virtual Machine），就是一台虚拟的计算机，它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上虚拟机可分为系统虚拟机和程序虚拟机。

• 大名鼎鼎的Visual Box，VMWare就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
• 程序虚拟机的一个典型代表就是java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在java虚拟机中执行的指令我们称为java字节码指令。

        无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

二、java虚拟机

        java虚拟机是一台执行java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的java字节码也未必是由java语言编译而成。

        JVM平台的各种语言可以共享java虚拟机带来的跨平台性，优秀的垃圾回收机制以及可靠的即时编译器。java技术的核心就是java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的java程序都运行在java虚拟机内部。

作用

        java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。每一条java指令，java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。

特点

• 一次编译，到处运行。
• 自动内存管理。
• 自动垃圾回收功能。

三、JVM的位置

        JDK的构成

 四、JVM整体结构

• Hotspot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
• 它采用解释器与即时编译器并存的架构。
• 在今天，Java程序的运行性能早己脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。
   

         方法区和堆是多个线程共享的，而java栈、本地方法栈和程序计数器为每个线程独有一份。

执行引擎

         红色框中就是执行引擎，从左到右分别为：解释器、JIT即时编译器、垃圾回收器。

        JIT即时编译器为编译器的后端（java源码编译为class文件也可以成为编译器前端），因为字节码文件无法调用本地机器程序的，需要将字节码编译为本地机器语言。

五、java代码执行流程

         下图为详细图：

• 解释执行：保证响应时间，逐行对字节码文件进行响应执行。
• 编译执行：将重复性较高的字节码（热点代码）编译为机器指令（二次编译）并缓存起来。

六、JVM架构模型

        Java编译器输入的指令流基木上是一种基于栈的指令集架构，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。具体来说，这两种架构之间的区别：

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。
• 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现。
• 不需要硬件支持,可移植性更好，更好实现跨平台。

基于寄存器架构的特点

• 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。
• 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差
• 性能优秀和执行更高效。
• 花费更少的指令去完成一项操作。
• 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。

        总结：

        由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

        时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢?

七、JVM生命周期

虚拟机的启动

        Java虚拟机的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader)创建一个初始类(initial class)来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

虚拟机的执行

• 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。·
• 程序开始执行时它才运行，程序结束时它就停止。
• 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。

虚拟机的退出

        有如下的几种情况：

• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
• 某线程调用Runtime类或system类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作。
• 除此之外，JNI ( Java Native Interface)规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。