深入理解Java虚拟机体系结构-创新互联

1概述

众所周知，Java支持平台无关性、安全性和网络移动性。而Java平台由Java虚拟机和Java核心类所构成，它为纯Java程序提供了统一的编程接口，而不管下层操作系统是什么。正是得益于Java虚拟机，它号称的“一次编译，到处运行”才能有所保障。

1.1Java程序执行流程

Java程序的执行依赖于编译环境和运行环境。源码代码转变成可执行的机器代码，由下面的流程完成：

Java技术的核心就是Java虚拟机，因为所有的Java程序都在虚拟机上运行。Java程序的运行需要Java虚拟机、Java API和Java Class文件的配合。Java虚拟机实例负责运行一个Java程序。当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例就诞生了。当程序结束，这个虚拟机实例也就消亡。

Java的跨平台特性，因为它有针对不同平台的虚拟机。

1.2Java虚拟机

Java虚拟机的主要任务是装载class文件并且执行其中的字节码。由下图可以看出，Java虚拟机包含一个类装载器（classloader），它可以从程序和API中装载class文件，JavaAPI中只有程序执行时需要的类才会被装载，字节码由执行引擎来执行。

当Java虚拟机由主机操作系统上的软件实现时，Java程序通过调用本地方法和主机进行交互。Java方法由Java语言编写，编译成字节码，存储在class文件中。本地方法由C/C++/汇编语言编写，编译成和处理器相关的机器代码，存储在动态链接库中，格式是各个平台专有。所以本地方法是联系Java程序和底层主机操作系统的连接方式。

由于Java虚拟机并不知道某个class文件是如何被创建的，是否被篡改一无所知，所以它实现了一个class文件检测器，确保class文件中定义的类型可以安全地使用。class文件检验器通过四趟独立的扫描来保证程序的健壮性：

·class文件的结构检查

·类型数据的语义检查

·字节码验证

·符号引用验证

Java虚拟机在执行字节码时还进行其它的一些内置的安全机制的操作，他们作为Java编程语言保证Java程序健壮性的特性，同时也是Java虚拟机的特性：

·类型安全的引用转换

·结构化的内存访问

·自动垃圾收集

·数组边界检查

·空引用检查

1.3Java虚拟机数据类型

Java虚拟机通过某些数据类型来执行计算。数据类型可以分为两种：基本类型和引用类型，如下图：

但boolean有点特别，当编译器把Java源码编译为字节码时，它会用int或byte表示boolean。在Java虚拟机中，false是由0表示，而true则由所有非零整数表示。和Java语言一样，Java虚拟机的基本类型的值域在任何地方都是一致的，不管主机平台是什么，一个long在任何虚拟机中总是一个64位二进制补码的有符号整数。

对于returnAddress，这个基本类型被用来实现Java程序中的finally子句，Java程序员不能使用这个类型，它的值指向一条虚拟机指令的操作码。

2体系结构

在Java虚拟机规范中，一个虚拟机实例的行为是分别按照子系统、内存区、数据类型和指令来描述的，这些组成部分一起展示了抽象的虚拟机的内部体系结构。

2.1class文件

Javaclass文件包含了关于类或接口的所有信息。class文件的“基本类型”如下：

如果想了解更多，Oracle的JVM SE7给出了官方规范：The Java® Virtual Machine Specification

class文件包含的内容：

ClassFile {

 u4 magic;          //魔数：0xCAFEBABE，用来判断是否是Java class文件
 u2 minor_version;        //次版本号
 u2 major_version;        //主版本号
 u2 constant_pool_count;      //常量池大小
 cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //常量池
 u2 access_flags;        //类和接口层次的访问标志（通过|运算得到）
 u2 this_class;        //类索引（指向常量池中的类常量）
 u2 super_class;        //父类索引（指向常量池中的类常量）
 u2 interfaces_count;       //接口索引计数器
 u2 interfaces[interfaces_count];    //接口索引集合
 u2 fields_count;        //字段数量计数器
 field_info fields[fields_count];    //字段表集合
 u2 methods_count;        //方法数量计数器
 method_info methods[methods_count];   //方法表集合
 u2 attributes_count;       //属性个数
 attribute_info attributes[attributes_count]; //属性表

}