第12章 Java虚拟机

第12章 Java 虚拟机 【本章专家知识导学】 Java虚拟机是Java语言平的基石。所有的Java程序都执行于Java虚拟机之上。Java虚拟机实质是一个虚构的计算机，它与普通计算机一样，拥有自己的虚拟处理器，堆、栈、寄存器等存储机制及相应的指令系统。 本章深入的介绍了Java虚拟机构的结构和对Java程序的执行方式。学习完本章之后，读者应能够加深对Java语言及JavaSE体系结构的理解，提高编写高质量的Java程序能力。

12.1Java虚拟机概述 正如前所述，Java不仅仅是一个编程语言，它是一个软件开放运行平台，它主要由四个部分组成：Java语言、开发工具和APIs、JRE、Java 虚拟机（Java Virtual Machine，JVM ），如图1－4。它们之间的关系如图12-1所示。

图 12－1 Java平台各部分之间关系 开发人员通过Java语言编写Java源程序，然后通过Java编译器将其编译为Java字节码文件。在运行时Java虚拟机将Java字节码文件装载，并解释编译为本地机器所能识别的指令代码，在本地机器上执行。

从图12－1可知，Java 虚拟机处在核心位置，是Java程序平台无关性的关键。Java 虚拟机实质上是一个虚构的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机来实现。它与实际的计算机一样，具有完整的硬件架构，拥有自己的虚拟处理器，堆、栈、寄存器等存储机制及专家导学Java 面向对象编程  2 相应的指令系统。Java平台利用Java虚拟机解释执行Java程序，实现Java程序与操作系统的分离，从而实现Java的平台无关性，摆脱具体机器的束缚。

12.2Java虚拟机的生命周期 Java 虚拟机负责装载、解析执行Java程序。当Java虚拟机启动执行一个Java程序时，Java虚拟机同时创建一个Java虚拟机实例（java进程）；当程序执行完毕退出时，Java虚拟机进程同时关闭， Java虚拟机实例结束生命周期。

Java虚拟机在启动时执行的Java程序，必须包含public static void main(String args[])方法。main方法是Java程序的入口方法，它将驱动程序相关的所有Java字节码文件。同时main方法也是Java程序初时线程的起点，任何其它的线程都由这个初时线程启动。Java虚拟机内部有两种线程：守护线程和非守护线程。守护线程通常由虚拟机自己使用，比如执行垃圾收集任务的线程。非守护线程由Java程序创建，只要非守护线程在运行，Java虚拟机实例也将一直在运行，直到该程序中所有的非守护线程都终止时，Java虚拟机实例才自动退出。

12.3Java虚拟机数据类型 Java虚拟机是通过数据类型来执行计算的，数据类型及其运算都按Java虚拟机规范严格定义。对应于Java语言，Java虚拟机数据类型可分为两种：基本类型和引用类型（对应抽象数据类型），如图12－12。

图12－2 Java虚拟机数据类型 基本数据类型包括数据类型、boolean类型和returnAddress类型。Java语言中的所有基本类型同样也是Java虚拟机中的基本类型。但boolean类型有点特别。尽管Java语言定义了boolean类型，但是Java虚拟机没有用于boolean类型操作的指令。虽有创建boolean类型数组的指令，但也不支持对boolean数组元素的访问。在Java虚拟机中boolean型用int数据类型表示，其中false用整数零表示，true用非零整数表示。相应地，对boolean型的操作转换为对int类型的操作，boolean数组也用int数组指令访问和修改。 retuanAddress类型在Java语言中没有对应的类型，供予Java虚拟机的jsr，ret和jsr_w指令使用。returnAddress类型的值是Java虚拟机指第12章 Java 虚拟机  3  令的操作码指针，与数值基本类型不同。 引用类型有三种：类类型、接口类型和数组类型。它们的值是对动态创建的类实例，数组或接口实现类实例的引用。引用值也可以是特殊的null引用，它不引用对象。null引用初始没有运行期类型，但是可以转换成任何类型。

Java虚拟机规范定义了每一种数据类型的取值范围，如表12－1。但是规范没有定义它们的位宽，存储这些类型的值所需的占位宽度，由具体的虚拟机实现的设计者决定。

表12－1 Java虚拟机数据类型的取值范围 类型 范围 Byte 8比特，带符号，二进制补码 Short 16比特，带符号，二进制补码 Int 32比特，带符号，二进制补码 Long 64比特，带符号，二进制补码 Char 16比特，不带符号，Unicode字符 Float 32比特，IEEE754标准单精度浮点数 Double 64比特，IEEE754标准单精度浮点数 ReturnAddress 同一方法中某操作码的地址 Reference 堆中对某对象的引用，或者是null

Java虚拟机中，最基本的数据单元就是字(word)，它的大小是由每个虚拟机实现的设计者来决定的。字长必须足够大，一个字长至少应足以存储byte、short、int、char、float、returnAddress或者reference类型的值，而两个字长应足以存储long或者double类型的值。因此，虚拟机实现的设计者至少得选择32位作为字长，或者选择更为高效的字长大小。通常字长根据底层主机平台的指针长度来选择。

Java虚拟机规范中，关于运行时数据区的大部分内容，都是基于“字”这个抽象概念的。比如，关于栈帧的两个部分——局部变量和操作数栈——都是按照“字”来定义的。这个内容区域能够容纳任何虚拟机数据类型的值，当把这些值放到局部变量或者操作数栈中时，它将占用一个或两个字单元。

12.4Java虚拟机指令系统 Java虚拟机与普通的计算机一样具有一套完整的指令系统，每条指令执行一种基本的CPU运算。每一个指令一般由一个字节的操作码（Opcode）和零个或多个操作数(Operands)组成。操作码指明做什么，操作数提供操作所需的参数或数据。操作数的个数由操作码决定，当然也有些指令没有操作数，仅由一个单字节的操作码构成。如果一个操作数的大小大于一个字节，则按照big-endian顺序存储——高位字节在前。例如，一个16位的无符号操作数被作为2个无符号字节byte1和byte2存储，这样它的值是：

（byte1<<8）|byte2 每一条Java虚拟机指令均有一个助记符，Java虚拟机的指令助记符集合就犹如Java虚拟专家导学Java 面向对象编程  4 机的汇编语言。Java 类中的方法编译成字节码流后转换为一组Java虚拟机指令序列。 【例12.1】 1. package chapter12; 2. public class OperandStack 3. { 4. public static void main(String[] args) 5. { 6. int rs = add (100 , 98); 7. } 8. public static int add(int op1,int op2) 9. { 10. int rs = op1 + op2; 11. return rs; 12. } 13. }

将【12.1】编译成字节码文件后，通过“javap -c operandstack”命令反汇编，可得到如下OperandStack类的Java虚拟机指令助记符程序： 1. Compiled from "OperandStack.java" 2. public class chapter12.OperandStack extends java.lang.Object 3. { 4. public chapter12.OperandStack(); 5. Code: 6. 0: aload_0 7. 1: invokespecial #8; //Method java/lang/Object."":()V 8. 4: return 9. 10. public static void main(java.lang.String[]); 11. Code: 12. 0: bipush 100 13. 2: bipush 98 14. 4: invokestatic #16; //Method add:(II)I 15. 7: istore_1 16. 15: return 17. 18. public static int add(int, int); 19. Code: 20. 0: iload_0 21. 1: iload_1 22. 2: iadd 23. 3: istore_2 24. 4: iload_2 25. 5: ireturn 26. }

其中4到8行是默认构造函数的助记符程序，10到16行是main方法的助记符程序，18到25行是add方法的助记符程序。 Java虚拟机指令集中的绝大多数指令根据操作数的类型进行编码，例如，iload指令把一个int型局部变量的内容装载到操作数栈，fload指令对一个float型局部变量做同样的事，这两个指令可以具有相同的实现，但具有不同的操作码。对大多数有类型的指令，指令类型由操作码助记符前第一个字母显式地表示，如i指对int型操作，l指对long型操作，s指对short型操作，b指对byte型操作，c指对char型操作，f指对float型操作，d 指对double型操作，a指对reference型操作。当然有些指令不能操作在有类型地操作数上，例如goto指令，无条件控制转移指令等。 Java虚拟机指令可分为10类，装载和存储指令、运算指令、类型转换指令、对象创建和操纵指令、控制转移指令、方法调用返回指令、抛出和异常处理指令、finally实现指令、同步