什么是JVM
JVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。
目前主流的虚拟机如下:
虚拟机名称 | 介绍 |
HotSpot | Oracle/Sun JDK和OpenJDK都使用HotSPot VM的相同核心 |
J9 | J9是IBM开发的高度模块化的JVM |
JRockit | JRockit与HotSpot同属于Oracle,目前为止Oracle一直在推进HotSpot与JRockit两款各有优势的虚拟机进行融合互补 |
Zing | 由Azul Systems根据HostPot为基础改进的高性能低延迟的JVM |
Dalvik | Android上的Dalvik 虽然名字不叫JVM,但骨子里就是不折不扣的JVM |
JVM与操作系统
为什么要在程序和操作系统中间添加一个JVM?
Java 是一门抽象程度特别高的语言,提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的,所以就需要JVM进行一番转换。

从图中可以看到,有了JVM这个抽象层之后,Java就可以实现跨平台了。JVM只需要保证能够正确执行.class文件,就可以运行在诸如Linux、Windows、MacOS 等平台上了。
而Java跨平台的意义在于一次编译,处处运行,能够做到这一点JVM功不可没。比如我们在Maven仓库下载同一版本的jar包就可以到处运行,不需要在每个平台上再编译一次。
现在的一些JVM的扩展语言,比如Clojure、JRuby、Groovy等,编译到最后都是.class文件,Java语言的维护者,只需要控制好JVM这个解析器,就可以将这些扩展语言无缝的运行在JVM之上了。
应用程序、JVM、操作系统之间的关系如下:

我们用一句话概括JVM与操作系统之间的关系:JVM上承开发语言,下接操作系统,它的中间接口就是字节码。
JVM、JRE、JDK 的关系
JVM是Java程序能够运行的核心。但是需要注意,JVM自己什么也干不了,你需要给它提供生产原料(.class 文件) 。
仅仅是 JVM,是无法完成一次编译,处处运行的。它需要一个基本的类库,比如怎么操作文件、怎么连接网络等。而Java体系很慷慨,会一次性将JVM运行所需的类库都传递给它。JVM标准加上实现的一大堆基础类库,就组成了Java 的运行时环境,也就是我们常说的JRE(Java Runtime Environment)。
对于JDK来说,就更庞大了一些。除了JRE,JDK还提供了一些非常好用的小工具,比如javac、java、jar等。它是 Java开发的核心,让外行也可以炼剑!
我们也可以看下JDK的全拼,Java Development Kit。我非常怕 kit(装备)这个单词,它就像一个无底洞,预示着你永无休止的对它进行研究。JVM、JRE、JDK 它们三者之间的关系,可以用一个包含关系表示:

Java虚拟机规范和Java语言规范的关系

左半部分是Java虚拟机规范,其实就是为输入和执行字节码提供一个运行环境。右半部分是我们常说的Java语法规范,比如switch
、for
、泛型、lambda
等相关的程序,最终都会编译成字节码。而连接左右两部分的桥梁依然是Java的字节码。
如果.class文件的规格是不变的,这两部分是可以独立进行优化的。但Java也会偶尔扩充一下.class文件的格式,增加一些字节码指令,以便支持更多的特性。
我们简单看一下一个Java程序的执行过程,它到底是如何运行起来的:

这里的Java程序是文本格式的。比如下面这段HelloWorld.java,它遵循的就是Java语言规范。其中,我们调用了System.out
等模块,也就是JRE里提供的类库。
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World");
}
}
使用JDK的工具javac
进行编译后,会产生HelloWorld的字节码。
我们一直在说Java字节码是沟通JVM与Java程序的桥梁,下面使用javap
来稍微看一下字节码到底长什么样子:
0 getstatic #2 <java/lang/System.out> // getstatic 获取静态字段的值
3 ldc #3 <Hello World> // ldc 常量池中的常量值入栈
5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println> // invokevirtual 运行时方法绑定调用方法
8 return //void 函数返回
Java虚拟机采用基于栈的架构,其指令由操作码和操作数组成。这些字节码指令 ,就叫作opcode。其中,getstatic、ldc、invokevirtual、return 等,就是opcode,可以看到是比较容易理解的。
JVM就是靠解析这些opcode和操作数来完成程序的执行的。当我们使用Java命令运行.class文件的时候,实际上就相当于启动了一个JVM进程。
然后JVM会翻译这些字节码,它有两种执行方式。常见的就是解释执行,将opcode + 操作数翻译成机器代码;另外一种执行方式就是JIT,也就是我们常说的即时编译,它会在一定条件下将字节码编译成机器码之后再执行。
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