Java 版 (精华区)

发信人: bali (阿奔), 信区: Java
标  题: Java虚拟机
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年04月20日21:55:35 星期六), 站内信件

  Java虚拟机   
  
一、 什么是Java虚拟机 
Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自
己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。
1.为什么要使用Java虚拟机?
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。Java虚拟机在执行字节码
时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。
2.谁需要了解Java虚拟机
Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概
的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。 
对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片
实现Java虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。 
另外,如果你想扩展 Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地
了解Java虚拟机。 
3.Java虚拟机支持的数据类型
Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:
byte://1字节有符号整数的补码 short://2字节有符号整数的补码 int://4字节有符号整
数的补码 long://8字节有符号整数的补码 float://4字节IEEE754单精度浮点数 double:
//8字节IEEE754双精度浮点数 char://2字节无符号Unicode字符
几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在 Java执
行时不需要用硬件标记。操作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了操
作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其操作数类型特别
是int、long、float和double。
虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令, 包
括integer返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。
虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行Java数值计算
程序时,可能会非常慢。
虚拟机支持的其它数据类型包括:
object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用 returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr
-w/ret-w指令
注:Java数组被当作object处理。
虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中,对 objec
t的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向 该o
bject的数据。
用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反
了类型规定的字节码程序。
Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建
一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。
从Java虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样
使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可移
植性。 
二、 Java虚拟机体系结构
Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Ga
rbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖 任何
实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。
Java指令集
Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数
加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。
Java指令集中的指令包含一个单字节的操作符,用于指定要执行的操作,还有0个或多个操作
数,提供操作所需的参数或数据。许多指令没有操作数,仅由一个单字节的操作符构成。虚
拟机的内层循环的执行过程如下: 
do{ 取一个操作符字节; 根据操作符的值执行一个动作; }while(程序未结束)
由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。
指令中操作数的数量和大小是由操作符决定的。如果操作数比一个字节大,那么它存储的顺
序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为: 第一个字节*256
+第二个字节
字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tableswitch和lookup是例外,在这两条指令内部
 要求强制的4字节边界对齐。
寄存器
Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。 Ja
va虚拟机的寄存器有四种: 
pc:Java程序计数器。 optop:指向操作数栈顶端的指针。 frame:指向当前执行方法的执行
环境的指针。 vars:指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。
Java虚拟机
Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集
的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。所有寄存器都是32位
的。
栈
Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、操作数区。 
局部变量区　 
每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址
。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个
局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么
它实际占据了索引 n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位
的值是64位对齐的虚拟机提供了把局部变量中的值装载到操作数栈的指令,也提供了把操作
数栈中的值写入局部变量的指令。 
运行环境区
　在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。 
动态链接
运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链
接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符
号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号, 并把变量
访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法
中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。 
正常的方法返回
如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到
一个返回值。
执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个
恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。

异常和错误传播
异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中
出错的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针
的引用
程序使用了throw语句。
当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施: 
检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异
常类型,以及处理异常的代码块地址。 
与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内 ,发生
的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移
到指定的异常处理块处执行;如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,
直到当前方法的所有嵌套的catch子句都被检查过。 
由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。
因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表
中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该
程序计数器值下发生的异常情况。 
如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方
法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异
常处理,那么系 统将调用一个缺省的异常处理块。 
操作数栈区　
机器指令只从操作数栈中取操作数,对它们进行操作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的
原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟
机的行为。
操作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持操作的参数,并
保存操作的结果。
例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是操作数栈顶的两个字。这两个字是
由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相加,并把结果压回到操作数栈中。
每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的操作。每个操作数在栈中需要一个存
储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。
操作数只能被适用于其类型的操作符所操作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作
是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实
行。但是,有少数操作(操作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行操作时是不考虑类型
的。 
无用单元收集堆
Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集
能力:它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以
根据系统的需求使用各种各样的算法。
方法区
方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码 (编译
后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中,方法代码不包括在无用单元收集堆中,但计
划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。
可以说类文件是 Java语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规
范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范 
三、 Java类文件(.class文件)
每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java语言
的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了
详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范。
四、 Java芯片
由于Java语言是解释型语言,在一般的通用处理器上其运行速度比起编译型语言要慢很多。
Sun公司为了进一步推广Java的应用,推出了Java芯片。这些芯片可以说是Java虚拟机的硬
件实现。与通用芯片和解释器构成的虚拟机不同,Java芯片可以直接执行字节码,也就是说
,字节码就是 Java芯片的指令集。这种用硬件实现的虚拟机当然要比软件模拟的虚拟机的
速度要快得多。
Sun公司计划推出的Java芯片有三种:picoJava,mi-croJava和ultraJava。
picoJava是一个很小的Java内核芯片,其硅片面积只有25mm2。Sun公司准备向其它公司转让
,以便其它公司可以定制自己的Java芯片,其低端产品的售价估计不到25美元。 
microJava是基于picoJava的微控制器芯片,其芯片面积约为50mm2,用于通信设备和其它嵌
入式控制设备。Sun公司希望Java芯片可以成为推动Java发展的主要技术之一。 
   
      


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  Live as you were to die tomorrow,
  Learn as if you were to live forever.
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  Go where you want to go,
  Be what you want to be,
  because you have only one life and one chance.

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