JVM系列（1）——概述

1 概述

JVM 这块，总体而言，既简单，又复杂。简单是因为它的职责很明确，逻辑结构很清晰。复杂是因为一旦涉及具体实现，其中细节极多，而且知识点比较零碎，难以形成体系。

1.1 什么是 JVM

当我们在说 JVM 时，我们可能在说下面三种不同的东西：

• JVM 规范：抽象的规范，不具体指哪个 JVM 产品；
• JVM 实现：只要符合 JVM 规范的都可以算是正确的 JVM 实现，比如 HotSpot；
• JVM 实例：一个 JVM 进程。

具体，要根据语境领会。

类比：

//JVM 规范
public interface JVM {
    
    void loadClassFile();
    
    void runMain();
}

//JVM 实现
public class HotSpot implements JVM {
    
    public void loadClassFile() {
        //...
    }
    
    public void runMain() {
        //...
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        //JVM 实例
        Jvm jvm = new HotSpot();
        jvm.loadClassFile();
        jvm.runMain();
    }
}

1.2 JVM，JRE ，JDK 三者的关系

一句话概括：

JDK = JRE + (javac + java + 其它）= JVM + （标准 jar 包 + 第三方 jar 包 + 其它） + （javac + java + 其它）。

1.3 平台无关性、语言无关性

平台无关性：

• 不是说 JVM，JVM 直接与平台打交道不可能平台无关；
• 说的是 Java（或其它跑在 JVM 上的语言），由于 JVM 帮助屏蔽了平台差异而具有了平台无关性。

语言无关性：

• 说的是 JVM，原本是为了支持 Java，所以叫 Java 虚拟机；
• 但 Java 虚拟机只认字节码，不管源码是不是 Java 写的，甚至不管字节码是从哪来的。

1.4 为什么要用 JVM

任何面向人类设计的高级编程语言，都不可能直接拿到计算机上去执行，计算机看不懂。所以，必须把高级编程语言翻译成计算机能懂的机器语言。这个翻译过程可以有两种：（1）一次性直接编译到机器语言；（2）只编译到中间某一步，把中间产物（如字节码）拿到虚拟计算机（比如 JVM）上执行。

所以：

• Java 并非一定要在 JVM 上执行，编译成机器语言直接拿到计算机上执行也不是不行，前提是要开发这样的编译器；
• 非 JVM 语言，如 C++ 也不是一定不能在 JVM 上执行，也可以开发编译器把 C++ 源码编译成字节码。

用 JVM 的好处：

• 可移植、跨平台，通过字节码将源码与执行解耦，源码可以也可能被拿到任何可运行 JVM 的平台上执行；
• 代码托管、简化，通用逻辑放到 JVM 统一处理，如内存管理、数组越界检测、空指针检测等，减少开发工作量，提高安全性。

用 JVM 的坏处：

• 性能基本由 JVM 决定；
• 开发人员权限较低，无法控制代码执行细节。

所以，如果需要 JVM 带来的好处，而对它带来的不便不是很在意，那就可以选择跑在 JVM 上。

1.5 JVM 运行过程

JVM 运行大体流程很简单：

• 加载：从外界读取字节码到 JVM 内部；
• 解析：从字节码中解析出必要的信息存储到内存相应区域；
• 执行：从 main 方法开始执行 JVM 指令；
• 退出：所有前台线程执行完退出，或 JVM 中途崩溃。

但其中细节极其复杂，此处暂时不提。

1.6 JVM 结构

根据 JVM 的运行过程，可以将 JVM 划分为以下几个部分：

• 类加载系统：负责加载字节码文件，并解析出类信息；
• 内存：负责存储类信息，以及运行时中间数据；
• 执行引擎：负责执行 JVM 指令。

同样其中细节极其复杂，此处暂时不提。

1.7 公有设计、私有实现

公有设计：JVM 规范统一规定了 JVM 必须要做到的事情，如：

• 必须能正确读取 class 文件中的语义；
• 必须能正确执行 class 文件中的指令。

私有实现：JVM 实现者在完成 JVM 规定的基础上自由发挥，如：

• 解释执行 JVM 指令，或者编译执行，或者两者混合，都可以；
• JVM 规范设计了方法区、堆、栈等，实现者可以把方法区实现在堆外，也可以就在堆内划出一块区域作为方法区。