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

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。