虚拟机与Java虚拟机
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,虚拟机可以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。
Java虚拟机
- 概念
- 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、优秀的垃圾回收器,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
JVM的架构模型
- Java编译器输入的指令集基本上是一种基于
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
- 基于栈式架构的特点
举例1:
同样执行2+3这种逻辑操作,其指令分别如下:
基于栈的计算流程(以Java虚拟机为例):
而基于寄存器的计算流程:
JVM的生命周期
1. JVM的启动
- Java虚拟机的启动是通过
引导类加载器
(BootstrapClassLoader)创建一个初始类
(Initial Iclass)来完成的,这个类是由虚拟机的具体实现指定的。
2. JVM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。
- 程序开始执行时他才运行,程序结束时他就停止。
- 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。
3. JVM的退出
- 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。
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HotSpot VM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台),那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢?
- 栈:跨平台性、指令集小、指令多;执行性能比寄存器差。
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