1、虚拟机概念

 虚拟机就是指虚拟的计算机。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。

• 系统虚拟机：对物理计算机的仿真，提供可运行完整操作系统的虚拟平台，比如VirtualBox、VMware等。
• 程序虚拟机：专门为执行单个计算机程序而设计，比如java虚拟机（JVM），在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令。

2、java虚拟机

2.1 java字节码

 java字节码是指java语言编译成的字节码，任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为jvm字节码。

 不同的编译器，可以编译出相同的字节码文件。任何语言只要能被编译器编译成字节码，就可以在jvm上运行。

 Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式——Class文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集（或者称为字节码、Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。

2.2 java虚拟机

 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。由图上可知，不只是java，其他语言也可以被编译成字节码运行在jvm上，因此jvm是跨语言的平台。

 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。

 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，处理结果放在哪里等。

 JVM的特点：

• • 一次编译，到处运行
• • 自动内存管理
• • 自动垃圾回收

3、JVM的整体结构

 JVM运行在操作系统之上，它与硬件没有直接的交互。

 jvm在java体系中处于比较底层的位置。

• HotSpot是OracleJDK和OpenJDK共用的jvm
• 它采用解释器与即时编译器共存的结构
• 今天，java程序运行性能已经达到可以和c/c++一较高下的程度

 上图可以看出，字节码文件是jvm的入口，文件通过类加载器被加载到内存中，生成一个大的class对象。加载又被分为加载、链接、初始化步骤，后续会具体讲解。运行时数据区是把内存分为了不同区域，其中java栈是老叫法，现在叫java虚拟机栈，具体可看上一篇文章。执行引擎被分为解释器、JIT即时编译器和垃圾回收，解释器用来解释字节码文件，JIT是对热点代码进行提前编译，这里的编译被称为编译的后端（源码被编译成字节码的过程叫编译的前端），垃圾回收器对使用后的内存进行回收管理，后续会具体讲到。执行引擎的作用实际上是把字节码指令翻译成机器指令，供计算机识别。

4、java代码执行流程

 执行流程和一般的程序编译链接的差不多，具体可看编译和链接，Java的后端编译和链接是jvm实现的。

5、JVM架构模型

 java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。

 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。（比如嵌入式平台、打印机）
• • 避开寄存器的分配难题，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占。指令集更小，编译器容易实现。
• • 不需要硬件支持，可以执行更好，更好实现跨平台，可移植
• • 在解释执行下，速度稍慢。但是经过即时编译器输出成物理机汇编指令流，就和指令没啥关系了

 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和Android的Davlik虚拟机
• • 指令集架构完全依赖于硬件，可以执行差
• • 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是以一地址指令、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为主

两种架构举例

public class StackStructTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
    }
}

反编译，在生成的StackStructTest.class目录下执行 javap -v StackStructTest.class，可以得到汇编代码

Classfile /Users/zhoumi/IdeaProjects/learn/target/classes/com/hk7/memory/StackStructTest.class
  Last modified 2020-10-10; size 484 bytes
  MD5 checksum 7c6fc6746c6202d31f01b9dca6e74d98
  Compiled from "StackStructTest.java"
public class com.hk7.memory.StackStructTest
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #22            // com/hk7/memory/StackStructTest
   #3 = Class              #23            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lcom/hk7/memory/StackStructTest;
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               args
  #14 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               i
  #16 = Utf8               I
  #17 = Utf8               j
  #18 = Utf8               k
  #19 = Utf8               SourceFile
  #20 = Utf8               StackStructTest.java
  #21 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #22 = Utf8               com/hk7/memory/StackStructTest
  #23 = Utf8               java/lang/Object
{
  public com.hk7.memory.StackStructTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/hk7/memory/StackStructTest;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
        line 12: 2
        line 13: 4
        line 14: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            2       7     1     i   I
            4       5     2     j   I
            8       1     3     k   I
}
SourceFile: "StackStructTest.java"

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）

  0: iconst_2    //常量2
  1: istore_1    //把常量2保存到索引为1的操作数栈中
  2: iconst_3    //常量3
  3: istore_2    //把常量3保存到索引为2的操作数栈中
  4: iload_1     //加载常量2
  5: iload_2     //加载常量3
  6: iadd		   //对常量2和3求和
  7: istore_3    //把求和的结果保存在索引为3的操作数栈中

   基于栈的指令都是不带参数的，使用操作数栈中的数据作为指令的运算输入，指令运算结果也存在与操作数栈之中。

• 而基于寄存器的计算流程

  mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
  add eax,3 //使eax寄存器的值加3

由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。

6、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

• 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。可通jps来查看虚拟机中正在执行的进程。

虚拟机的退出

• 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。