什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算
机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

主流的JVM

虚拟机名称 介绍
HotSpot Oracle/Sun JDK和OpenJDK都使用HotSPot VM的相同核心
J9 J9是IBM开发的高度模块化的JVM
JRockit JRockit 与 HotSpot 同属于 Oracle,目前为止 Oracle 一直在推进 HotSpot 与 JRockit 两款各有优势的虚拟机进行融合互补
Zing 由Azul Systems根据HostPot为基础改进的高性能低延迟的JVM
Dalvik Android上的Dalvik 虽然名字不叫JVM,但骨子里就是不折不扣的JVM

JVM 与 操作系统的关系

首选我们考虑这样一个问题,为什么要在程序和操作系统中间添加一个JVM?

Java 是一门抽象程度特别高的语言,提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的,所以就需要 JVM 进行一番转换。

从上图中可以看到,有了 JVM 这个抽象层之后,Java 就可以实现跨平台了。JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件,就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上了。

而 Java 跨平台的意义在于一次编译,处处运行,能够做到这一点 JVM 功不可没。比如我们在 Maven 仓库下载同一版本的 jar 包就可以到处运行,不需要在每个平台上再编译一次。

现在的一些 JVM 的扩展语言,比如 Clojure、JRuby、Groovy 等,编译到最后都是 .class 文件,Java 语言的维护者,只需要控制好 JVM 这个解析器,就可以将这些扩展语言无缝的运行在 JVM 之上了。

应用程序、JVM、操作系统之间的关系如下图所示:

我们用一句话概括 JVM 与操作系统之间的关系:JVM 上承开发语言,下接操作系统,它的中间接口就是字节码。

JVM JRE JDK的关系

JVM 是 Java 程序能够运行的核心。但是需要注意,JVM 自己什么也干不了,你需要给它提供生产原料(.class 文件)。仅仅是 JVM,是无法完成一次编译,处处运行的。它需要一个基本的类库,比如怎么操作文件、怎么连接网络等。

而 Java 体系很慷慨,会一次性将 JVM 运行所需的类库都传递给它。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库,就组成了 Java 的运行时环境,也就是我们常说的 JRE(Java Runtime Environment)对于 JDK 来说,就更庞大了一些。除了 JRE,JDK 还提供了一些非常好用的小工具,比如 javac、java、jar 等。它
是 Java 开发的核心,让外行也可以炼剑!

JVM、JRE、JDK 它们三者之间的关系,可以用一个包含关系表示。

java虚拟机规范和java语言规范的关系

左半部分是 Java 虚拟机规范,其实就是为输入和执行字节码提供一个运行环境。右半部分是我们常说的 Java 语法规范,比如 switch、for、泛型、lambda 等相关的程序,最终都会编译成字节码。而连接左右两部分的桥梁依然是Java 的字节码。

如果 .class 文件的规格是不变的,这两部分是可以独立进行优化的。但 Java 也会偶尔扩充一下 .class 文件的格式,增加一些字节码指令,以便支持更多的特性。

我们可以把 Java 虚拟机可以看作是一台抽象的计算机,它有自己的指令集以及各种运行时内存区域。

最后,我们简单看一下一个 Java 程序的执行过程,它到底是如何运行起来的。

这里的 Java 程序是文本格式的。比如下面这段 HelloWorld.java,它遵循的就是 Java 语言规范。其中,我们调用了System.out 等模块,也就是 JRE 里提供的类库。

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

使用 JDK 的工具 javac 进行编译后,会产生 HelloWorld 的字节码。

我们一直在说 Java 字节码是沟通 JVM 与 Java 程序的桥梁,下面使用 javap 来稍微看一下字节码到底长什么样子。

0 getstatic #2 <java/lang/System.out> // getstatic 获取静态字段的值

3 ldc #3 <Hello World> // ldc 常量池中的常量值入栈

5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println> // invokevirtual 运行时方法绑定调用方法

8 return //void 函数返回

Java 虚拟机采用基于栈的架构,其指令由操作码和操作数组成。这些 字节码指令 ,就叫作 opcode。其中,getstatic、ldc、invokevirtual、return 等,就是 opcode,可以看到是比较容易理解的。

JVM 就是靠解析这些 opcode 和操作数来完成程序的执行的。当我们使用 Java 命令运行 .class 文件的时候,实际上就相当于启动了一个 JVM 进程。

然后 JVM 会翻译这些字节码,它有两种执行方式。常见的就是解释执行,将 opcode + 操作数翻译成机器代码;另外一种执行方式就是 JIT,也就是我们常说的即时编译,它会在一定条件下将字节码编译成机器码之后再执行。

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