深入探索Java工作原理：JVM，內(nèi)存回收及其他
Java語(yǔ)言引入了Java虛擬機(jī)，具有跨平臺(tái)運(yùn)行的功能，能夠很好地適應(yīng)各種Web應(yīng)用。同時(shí)，為了提高Java語(yǔ)言的性能和健壯性，還引入了如垃圾回收機(jī)制等新功能，通過(guò)這些改進(jìn)讓Java具有其獨(dú)特的工作原理。
1．Java虛擬機(jī)
Java虛擬機(jī)（Java Virtual Machine，JVM）是軟件模擬的計(jì)算機(jī)，它可以在任何處理器上（無(wú)論是在計(jì)算機(jī)中還是在其他電子設(shè)備中）安全兼容地執(zhí)行保存在.class文件中的字節(jié)碼。Java虛擬機(jī)的“機(jī)器碼”保存在.class文件中，有時(shí)也可以稱之為字節(jié)碼文件。
Java程序的跨平臺(tái)特性主要是指字節(jié)碼文件可以在任何具有Java虛擬機(jī)的計(jì)算機(jī)或者電子設(shè)備上運(yùn)行，Java虛擬機(jī)中的Java解釋器負(fù)責(zé)將字節(jié)碼文件解釋成為特定的機(jī)器碼進(jìn)行運(yùn)行。因此在運(yùn)行時(shí)，Java源程序需要通過(guò)編譯器編譯成為.class文件。
Java虛擬機(jī)的建立需要針對(duì)不同的軟硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，既要考慮處理器的型號(hào)，也要考慮操作系統(tǒng)的種類。由此在SPARC結(jié)構(gòu)、X86結(jié)構(gòu)、MIPS和PPC等嵌入式處理芯片上，在UNIX、Linux、Windows和部分實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上都可實(shí)現(xiàn)Java虛擬機(jī)。
2．無(wú)用內(nèi)存自動(dòng)回收機(jī)制
在程序的執(zhí)行過(guò)程中，部分內(nèi)存在使用過(guò)后就處于廢棄狀態(tài)，如果不及時(shí)進(jìn)行回收，很有可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)崩潰。在C++語(yǔ)言中是由程序員進(jìn)行內(nèi)存回收的，程序員需要在編寫程序時(shí)把不再使用的對(duì)象內(nèi)存釋放掉，這種人為管理內(nèi)存釋放的方法往往由于程序員的疏忽而致使內(nèi)存無(wú)法回收，同時(shí)也增加了程序員的工作量。而在Java運(yùn)行環(huán)境中，始終存在著一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的線程，專門跟蹤內(nèi)存的使用情況，定期檢測(cè)出不再使用的內(nèi)存，并自動(dòng)進(jìn)行回收，避免了內(nèi)存的泄露，也減輕了程序員的工作量。
3．代碼安全性檢查機(jī)制
安全和方便總是相對(duì)矛盾的。Java編程語(yǔ)言的出現(xiàn)使得客戶端計(jì)算機(jī)可以方便地從網(wǎng)絡(luò)上上傳或下載Java程序到本地計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，但是如何保證該Java程序不攜帶病毒或者沒有其他危險(xiǎn)目的呢？為了確保Java程序執(zhí)行的安全性，Java語(yǔ)言通過(guò)Applet程序來(lái)控制非法程序的安全性，也就是有了它才確保Java語(yǔ)言的生存。
Java字節(jié)碼的執(zhí)行需要經(jīng)過(guò)以下3個(gè)步驟：
（1）由類裝載器（class loader）負(fù)責(zé)把類文件（.class文件）加載到Java虛擬機(jī)中。在此過(guò)程需要檢驗(yàn)該類文件是否符合類文件規(guī)范。
（2）字節(jié)碼校驗(yàn)器（bytecode verifier）檢查該類文件的代碼中是否存在著某些非法操作，例如Applet程序中寫本地計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)的操作。
（3）如果字節(jié)碼校驗(yàn)器檢驗(yàn)通過(guò)，由Java解釋器負(fù)責(zé)把該類文件解釋成為機(jī)器碼進(jìn)行執(zhí)行。
注意：
Java虛擬機(jī)采用“沙箱”運(yùn)行模式，即把Java程序的代碼和數(shù)據(jù)都限制在一定內(nèi)存空間里執(zhí)行，不允許程序訪問(wèn)該內(nèi)存空間以外的內(nèi)存。如果是Applet程序，還不允許訪問(wèn)客戶端機(jī)器的文件系統(tǒng)。
Java的運(yùn)行環(huán)境
無(wú)論哪種語(yǔ)言都需要有它特定的運(yùn)行環(huán)境，也就是平臺(tái)。Java語(yǔ)言同樣不例外。但是如何理解Java程序與硬件環(huán)境無(wú)關(guān)呢？
幾乎所有的語(yǔ)言都需要通過(guò)編譯或者解釋才可以被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，但是Java有一點(diǎn)不同，它同時(shí)需要這兩個(gè)過(guò)程。其實(shí)，也正是因?yàn)檫@個(gè)原因才使Java這種語(yǔ)言具有了平臺(tái)無(wú)關(guān)性。當(dāng)完成一個(gè)Java源程序后，首先，通過(guò)Java翻譯程序?qū)⑺幾g成一種叫做字節(jié)碼的中間代碼，然后再由Java平臺(tái)的解釋器將它轉(zhuǎn)換成為機(jī)器語(yǔ)言來(lái)執(zhí)行，這一平臺(tái)的核心就是JVM。
Java的編譯過(guò)程與其他的語(yǔ)言不同。像C++這樣的語(yǔ)言，在編譯時(shí)它是與計(jì)算機(jī)的硬件平臺(tái)信息密不可分的。編譯程序通過(guò)查表將所有指令的操作數(shù)和操作碼等轉(zhuǎn)換成內(nèi)存的偏移量，即程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存分配方式，目的是保證程序正常運(yùn)行。而Java卻是將指令轉(zhuǎn)換成為一種.class的文件，這種文件不包含硬件的信息，需要執(zhí)行時(shí)只要經(jīng)過(guò)安裝有JVM的機(jī)器進(jìn)行解釋，創(chuàng)建內(nèi)存分配后再通過(guò)查表來(lái)確定一條指令所在的地址。這樣就有效地保證了Java的可移植性和安全性。
Java平臺(tái)具有這樣的特性和它的結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常一個(gè)程序運(yùn)行的平臺(tái)是一個(gè)硬件或者軟件運(yùn)行的環(huán)境，目前比較流行的是Windows XP、Linux、Solaris和MacOS。Java的平臺(tái)不太一樣，它由兩個(gè)部分組成，即JVM和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口。
1．JVM
JVM是Java平臺(tái)的核心，為了讓編譯產(chǎn)生的字節(jié)碼能更好地解釋與執(zhí)行，因此把JVM分成了6個(gè)部分：JVM解釋器、指令系統(tǒng)、寄存器、棧、存儲(chǔ)區(qū)和碎片回收區(qū)。
◆JVM解釋器：即這個(gè)虛擬機(jī)處理字段碼的CPU。
◆JVM指令系統(tǒng)：該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)很相似，一條指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼為8位二進(jìn)制數(shù)，主要是為了說(shuō)明一條指令的功能，操作數(shù)可以根據(jù)需要而定，JVM有多達(dá)256種不同的操作指令。
◆寄存器：JVM有自己的虛擬寄存器，這樣就可以快速地與JVM的解釋器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了功能的需要，JVM設(shè)置了4個(gè)常用的32位寄存器：pc（程序計(jì)數(shù)器）、optop（操作數(shù)棧頂指針）、frame（當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境指針）和vars（指向當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境中第一個(gè)局部變量的指針）。
◆JVM棧：指令執(zhí)行時(shí)數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)的場(chǎng)所和控制中心，它提供給JVM解釋器運(yùn)算所需要的信息。
◆存儲(chǔ)區(qū)：JVM存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)編譯過(guò)后的字節(jié)碼等信息。
◆碎片回收區(qū)：JVM碎片回收是指將使用過(guò)的Java類的具體實(shí)例從內(nèi)存進(jìn)行回收，這就使得開發(fā)人員免去了自己編程控制內(nèi)存的麻煩和危險(xiǎn)。隨著JVM的不斷升級(jí)，其碎片回收的技術(shù)和算法也更加合理。JVM 1.4.1版后產(chǎn)生了一種叫分代收集技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用對(duì)象在程序中生存的時(shí)間劃分成代，以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行碎片回收。
2．Java應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口
Java Application Programming Interface簡(jiǎn)稱Java API，其中文名為Java應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口。它是一個(gè)軟件集合，其中有許多開發(fā)時(shí)所需要的控件，可以用它來(lái)輔助開發(fā)。
Java API和JVM構(gòu)成了Java運(yùn)行的基本環(huán)境，這兩種軟件整合在一起處于計(jì)算機(jī)之上，通過(guò)這兩種軟件，Java平臺(tái)把一個(gè)Java應(yīng)用程序從硬件系統(tǒng)分離開，從而很好地保證了程序的獨(dú)立性。為了更好地適應(yīng)開發(fā)的需要，Java的設(shè)計(jì)者們提供了3種版本的Java平臺(tái)：Java 2 Micro Edition （J2ME ）、Java 2 Standard Edition（J2SE）和 Java 2 Enterprise Edition （J2EE），每一種版本都提供了豐富的開發(fā)工具以適應(yīng)不同的開發(fā)需要。
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