JVM 介绍


学习 Java 虚拟机首先需要对它有一个准确的宏观认识,JVM 是个什么东西,能做什么,在我们的日常开发中具体处于什么位置?这些问题都需要搞清楚。

首先从名字开始,既然叫虚拟机,什么是虚拟机呢?有的人可能在 Windows PC 上通过 VMware 或者 Virtual Box 安装过 Linux,这里你的物理 PC 上的 CPU、内存、寄存器以及 Windows 操作系统等组成了一个物理真实的计算机系统, 而 VMware 及 Virtual Box 就是一个虚拟机的角色,它同样具有完整的虚拟硬件环境(包括处理器,内存,I/O 设备),连同安装的 Linux 操作系统也组成了一个完整的虚拟计算机系统。

虚拟机就是指可以通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。

回到 Java 虚拟机上,Java 虚拟机也有自己完善的硬体架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。Java 虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使得Java 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(JVM)可以以一次一条指令的方式来解释字节码(把它映射到实际的处理器指令),或者字节码也可以由实际处理器中称作 just-in-time 的编译器进行进一步的编译。

换句话说,Java 虚拟机(JVM)是运行所有 Java 程序的抽象计算机,是 Java 语言的运行环境。JVM 包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

Sun HotSpot VM

运行 java -version 指令可以查看当前的 JDK 版本,信息类似下面这样

能看到当前 JDK 的版本信息,同时最下面一行显示 64 位的 HotSpot Server VM,说明当前 JDK 使用的是 HotSpot Server 版本虚拟机,实际上从 JDK1.3 开始,HotSpot VM 就已经是 Sun JDK 及 OpenJDK(JDK 的开源版本) 的默认虚拟机了,也是目前使用最广的虚拟机。名称中的 HotSpot 代表其具有的热点代码探测技术,可以通过计数器找出最具有编译价值的代码,然后通知 JIT 编译器以方法为单位进行编译。这样通过编译器和解释器恰当的协同工作,可以在程序响应时间和执行性能中取得最佳的平衡。

这里需要注意 Java HotSpot Client VM 和 Java HotSpot Server VM 是 JDK 关于 JVM 的两种不同的实现,前者可以减少启动时间和内存占用,而后者则提供更加优秀的程序运行速度,可以参考官方文档 Java Virtual Machine Technology

除了 JDK 默认的 HotSpot 虚拟机以外,比较著名的商用虚拟机还有 IBM J9 VM 以及 Google Android Dalvik VM,前者是 IBM 公司的 Java 执行平台,而后者则是大名鼎鼎的 Android 平台的核心组成部分,但是注意 Dalvik VM 并不是一个 Java 虚拟机,它并没有遵循 Java 虚拟机规范,不能直接执行 Java 的 Class 文件,但是其执行的 dex 文件可以通过 class 文件转化而来,并且可以使用 Java 语法编写应用,可以直接使用大部分的 Java API。

JVM 和 JDK 及 JRE 的关系

JDK (Java Development Kit) 是 Java 语言的软件开发工具包(SDK),是支持 Java 程序开发的最小环境。在 JDK 的安装目录下有一个 jre 目录,里面有两个文件夹 bin 和 lib,在这里可以认为 bin 里的就是 JVM,lib 中则是 JVM 工作所需要的类库,而 JVM 和 lib 合起来就称为 JRE。

JRE(Java Runtime Environment,Java 运行环境),包含 JVM 标准实现及 Java 核心类库,是支持 Java 程序运行的标准环境。由于 JRE 是运行环境,并不是一个开发环境,所以没有包含任何开发工具(如编译器和调试器)。

JVM(Java Virtual Machine,Java 虚拟机),JVM 可以理解为是一个虚拟出来的计算机,具备着计算机的基本运算方式,它主要负责将 Java 程序生成的字节码文件解释成具体系统平台上的机器指令。让具体平台如 windows 运行这些 Java 程序。

mac os 系统中运行 /usr/libexec/java_home -V 查看 JDK 的安装目录,可以看到:

其中最下面一行即当前使用的 JDK 安装目录,查看该目录下的文件会看到

一张图概括三者之间的关系如下

JRE = JVM + libraries to run Java application.
JDK = JRE + tools to develop Java Application.

在我们的具体开发当中,我们首先利用 IDE(例如 Eclipse)和 JDK(主要是其中的 Java API)开发属于我们自己的 Java 程序,然后通过 JDK 中的编译程序(javac)将我们的 Java 源码文件编译成 Java 字节码,在 JRE 上运行这些字节码,JVM 则负责解析这些字节码,映射到 CPU 指令集或 OS 的系统调用。

Java execution flow

JVM 和 Tomcat 的关系

Tomcat 是用 Java 语言开发的一个 Servlet 容器(一种 Web 服务器),所以简单来讲 Tomcat 就是一个 Java 应用(和我们自己用 Java 写的 hello world 并无本质区别)。那只要是 Java 程序就都需要跑在 JVM 中,因此在启动 Tomcat 之前必须配置好 JRE。

Java 为什么具有跨平台的特性

Java 语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性,这个特性也要归功于 JVM。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(这时因为不同的平台具有不同的指令集和数据结构)。而 Java 语言使用 JVM 屏蔽了与具体平台相关的信息,只需要将源码通过编译程序编译成在 JVM 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。而 JVM 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(不同平台上的 JVM 解释器肯定不同)。

从 DOS 到 Window8,从 Unix 到 Ubuntu 和 CentOS,还有 MAC OS 等等,不同的操作系统指令集以及数据结构都有着差异,而 JVM 通过在操作系统上建立虚拟机,自己定义出来的一套统一的数据结构和操作指令,把同一套语言翻译给各大主流的操作系统,实现了跨平台运行,可以说 JVM 是 Java 的核心,是 Java 可以一次编译到处运行的本质所在。

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