Java虛擬機體系結構
本文向大家簡單介紹一下Java虛擬機體系結構，Java虛擬機由五個部分組成，這五部分是Java虛擬機的邏輯成份,不依賴任何實現技術或組織方式,但它們的功能必須在真實機器上以某種方式實現。
Java虛擬機體系結構
Java虛擬機由五個部分組成:一組指令集、一組寄存器、一個棧、一個無用單元收集堆(Garbage-collected-heap)、一個方法區域。這五部分是Java虛擬機的邏輯成份,不依賴任何實現技術或組織方式,但它們的功能必須在真實機器上以某種方式實現。
1.Java指令集
Java虛擬機支持大約248個字節碼。每個字節碼執行一種基本的CPU運算,例如,把一個整數加到寄存器,子程序轉移等。Java指令集相當于Java程序的匯編語言。
Java指令集中的指令包含一個單字節的操作符,用于指定要執行的操作,還有0個或多個操作數,提供操作所需的參數或數據。許多指令沒有操作數,僅由一個單字節的操作符構成。
Java虛擬機的內層循環的執行過程如下:
- do{
- 取一個操作符字節;
- 根據操作符的值執行一個動作;
- }while(程序未結束)
由于指令系統的簡單性,使得Java虛擬機執行的過程十分簡單,從而有利于提高執行的效率。指令中操作數的數量和大小是由操作符決定的。如果操作數比一個字節大,那么它存儲的順序是高位字節優先。例如,一個16位的參數存放時占用兩個字節,其值為:
***個字節*256+第二個字節字節碼指令流一般只是字節對齊的。指令tabltch和lookup是例外,在這兩條指令內部要求強制的4字節邊界對齊。
2.寄存器
Java虛擬機的寄存器用于保存機器的運行狀態,與微處理器中的某些專用寄存器類似。
Java虛擬機的寄存器有四種:
◆pc:Java程序計數器。
◆optop:指向操作數棧頂端的指針。
◆frame:指向當前執行方法的執行環境的指針。
◆vars:指向當前執行方法的局部變量區***個變量的指針。#p#
3.棧
Java虛擬機的棧有三個區域:局部變量區、運行環境區、操作數區。
(1)局部變量區每個Java方法使用一個固定大小的局部變量集。
它們按照與vars寄存器的字偏移量來尋址。局部變量都是32位的。長整數和雙精度浮點數占據了兩個局部變量的空間,卻按照***個局部變量的索引來尋址。(例如,一個具有索引n的局部變量,如果是一個雙精度浮點數,那么它實際占據了索引n和n+1所代表的存儲空間。)Java虛擬機規范并不要求在局部變量中的64位的值是64位對齊的。Java虛擬機提供了把局部變量中的值裝載到操作數棧的指令,也提供了把操作數棧中的值寫入局部變量的指令。
(2)運行環境區在運行環境中包含的信息用于動態鏈接,正常的方法返回以及異常傳播。
◆動態鏈接
運行環境包括對指向當前類和當前方法的解釋器符號表的指針,用于支持方法代碼的動態鏈接。方法的class文件代碼在引用要調用的方法和要訪問的變量時使用符號。動態鏈接把符號形式的方法調用翻譯成實際方法調用,裝載必要的類以解釋還沒有定義的符號,并把變量訪問翻譯成與這些變量運行時的存儲結構相應的偏移地址。動態鏈接方法和變量使得方法中使用的其它類的變化不會影響到本程序的代碼。
◆正常的方法返回
如果當前方法正常地結束了,在執行了一條具有正確類型的返回指令時,調用的方法會得到一個返回值。執行環境在正常返回的情況下用于恢復調用者的寄存器,并把調用者的程序計數器增加一個恰當的數值,以跳過已執行過的方法調用指令,然后在調用者的執行環境中繼續執行下去。
◆異常和錯誤傳播
異常情況在Java中被稱作Error(錯誤)或Exception(異常),是Throwable類的子類,在程序中的原因是:
①動態鏈接錯,如無法找到所需的class文件。
②運行時錯,如對一個空指針的引用
◆程序使用了throw語句。
當異常發生時,Java虛擬機采取如下措施:
◆檢查與當前方法相聯系的catch子句表。每個catch子句包含其有效指令范圍,能夠處理的異常類型,以及處理異常的代碼塊地址。
◆與異常相匹配的catch子句應該符合下面的條件:造成異常的指令在其指令范圍之內,發生的異常類型是其能處理的異常類型的子類型。如果找到了匹配的catch子句,那么系統轉移到指定的異常處理塊處執行;如果沒有找到異常處理塊,重復尋找匹配的catch子句的過程,直到當前方法的所有嵌套的catch子句都被檢查過。
◆由于Java虛擬機從***個匹配的catch子句處繼續執行,所以catch子句表中的順序是很重要的。因為Java代碼是結構化的,因此總可以把某個方法的所有的異常處理器都按序排列到一個表中,對任意可能的程序計數器的值,都可以用線性的順序找到合適的異常處理塊,以處理在該程序計數器值下發生的異常情況。
◆如果找不到匹配的catch子句,那么當前方法得到一個"未截獲異常"的結果并返回到當前方法的調用者,好像異常剛剛在其調用者中發生一樣。如果在調用者中仍然沒有找到相應的異常處理塊,那么這種錯誤傳播將被繼續下去。如果錯誤被傳播到最頂層,那么系統將調用一個缺省的異常處理塊。
(3)操作數棧區機器指令只從操作數棧中取操作數,對它們進行操作,并把結果返回到棧中。選擇棧結構的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的機器(如Intel486)上,也能夠高效地模擬Java虛擬機的行為。操作數棧是32位的。它用于給方法傳遞參數,并從方法接收結果,也用于支持操作的參數,并保存操作的結果。例如,iadd指令將兩個整數相加。相加的兩個整數應該是操作數棧頂的兩個字。這兩個字是由先前的指令壓進堆棧的。這兩個整數將從堆棧彈出、相加,并把結果壓回到操作數棧中。
每個原始數據類型都有專門的指令對它們進行必須的操作。每個操作數在棧中需要一個存儲位置,除了long和double型,它們需要兩個位置。操作數只能被適用于其類型的操作符所操作。例如,壓入兩個int類型的數,如果把它們當作是一個long類型的數則是非法的。在Sun的Java虛擬機實現中,這個限制由字節碼驗證器強制實行。但是,有少數操作(操作符dupe和swap),用于對運行時數據區進行操作時是不考慮類型的。
4.無用單元收集堆
Java的堆是一個運行時數據區,類的實例(對象)從中分配空間。Java語言具有無用單元收集能力:它不給程序員顯式釋放對象的能力。Java不規定具體使用的無用單元收集算法,可以根據系統的需求使用各種各樣的算法。
5.方法區
方法區與傳統語言中的編譯后代碼或是Unix進程中的正文段類似。它保存方法代碼(編譯后的java代碼)和符號表。在當前的Java實現中,方法代碼不包括在無用單元收集堆中,但計劃在將來的版本中實現。每個類文件包含了一個Java類或一個Java界面的編譯后的代碼。可以說類文件是Java語言的執行代碼文件。為了保證類文件的平臺無關性,Java虛擬機規范中對類文件的格式也作了詳細的說明。其具體細節請參考Sun公司的Java虛擬機規范。
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