0x01.JVM 架构模型

1.JVM 架构模型

目录

• 1.1.JVM 整体结构
• 1.2.JVM的架构模型
  • 基于栈的指令集架构
  • 基于寄存器的指令集架构
  • 架构举例
  • JVM架构总结
• 1.3 JVM的生命周期
  • 虚拟机的启动
  • 虚拟机的执行
  • 虚拟机的退出

1.1.JVM 整体结构

对于JAVA虚拟机来的运行原理来说，首先需要知道JAVA虚拟机的架构模型，全文使用Orcale的hotspot 虚拟机进行对应说明，首先我们先看下对应的整体虚拟机的架构模型架构：

由上可以看出JAVA虚拟机有以下几部分组成：

• 类加载子系统
• 运行时数据区
• 执行引擎
• 本地方法接口与本地方法库

1.2.JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流程基本上是一种基于栈的指令集架构，另外一种是基于寄存器的指令集架构。具体来说这两种架构之间区别：

基于栈的指令集架构

基于栈式架构的特点：

1. 设计和实现更加简单，适用于资源受限的系统
2. 避开了寄存器分配的难题：使用零地址方式分配
3. 指令流中指令大部分是零地址指令，执行过程依赖栈。指令集更小，编译器更容易实现
4. 不需要硬件支持，可移植性更好，更容易进行跨平台

基于寄存器的指令集架构

基于寄存器架构的特点：

1. 二进制指令集，传统的PC与安卓虚拟机
2. 对于硬件依赖，与硬件耦合度高，可移植性差
3. 更高效的执行与更优秀的性能
4. 花费更少的指令完成一个动作
5. 大部分场景下基于寄存器的指令集都是一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，与栈式指令集架构不同，栈式指令集都是零地址为主

架构举例

比如执行 2+2这个动作，指令集如下：

• 基于栈式指令集架构的计算指令（JVM为例）

iconst_2  // 常量 2 入栈
istore_1
iconst_2  // 常量 2 入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd      // 相加 2+2
istore_0  // 结果入栈

• 基于寄存器指令集架构的计算指令

mov eax,2
add eax,2

基于以上例子发现，基于寄存器的指令集架构使用的指令更少，基于栈式的指令集架构所需要的操作更多。

JVM架构总结

1. 由于跨平台特性的设计，Java指令集都是根据栈来设计的。不同的CPU平台架构不同，所以不能基于寄存器设计。栈的优点：跨平台，指令集小，编译器容易实现。缺点：性能比寄存器差。
2. 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了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？因为基于栈的指令集架构跨平台性更好、指令集小（相对于基于寄存器架构来说），跨平台性更好。

1.3 JVM的生命周期

虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

虚拟机的执行

1. 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
2. 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止
3. 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

虚拟机的退出

1. 程序正常执行结束
2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
3. 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
4. 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。
5. 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。