JVM运行机制浅析

摘要：java是当前比较火的一门编程语言，由于java的跨平台性使得java的应用在越来越多的方面得以体现，在java大行其道的背后有着一个默默无闻的工作角色，这个角色就是java虚拟机——JVM，在本文中对JVM的运行过程做了一些研究，并综合阐述了JVM的运行部件和运行机制。

关键词：JVM java虚拟机 跨平台 面向对象编程

Java因为其良好的跨平台性，得到越来越多程序员的喜欢，同时随着智能化家居的日益普及，java已经从开发的神坛走向平常百姓身边。无时无刻我们的身边都有java设备的运行，网络电视中的android平台，运行在其上的各种APP都是java运行的结果，车载系统已经从原先最早的嵌入式形式走向现在更具体的独立系统阶段，装上android系统，各种应用便可以进行拓展，不得不说，java已经是我们亲密的伙伴和朋友。但是在此不得不说，一个非常重要的幕后英雄，JVM（java虚拟机Java Virtual Machine）。

总所周知，操作系统封装了底层的硬件设备，为人们使用计算机设备提供了人性化接口，为编程提供了各种API调用接口，但是各种操作系统在给人们提供便利的同时，又因为彼此的不同，给开发应用系统带来一定的阻碍，因为针对一种系统的应用要运行在另外一个系统上的话，必然要在此开发针对另外系统的应用，增加了人们的开发工作量。为了解决这一问题，Sun公司开发了java语言，当然其初衷并非如此，但是确实也达到了这样的目的，至于其初衷在此不做讨论。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM是java的核心和基础，它是建立在java编译器和操作系统平台之间的虚拟电脑，或者狭义的理解为虚拟处理器，其运行基于下层操作系统和硬件平台通过软件来实现的抽象的计算机。java编译器只需根据JVM编译即可，程序员可以根据统一的标准去编写程序，让更做的重点放在工作流和业务流上。编译器只需生成JVM能理解的代码或者字节码文件即可，JRE（java运行环境）将每一条指令翻译成不同平台的机器码，保证其在不同平台上的运行。

一个程序从源代码到运行的执行过程如下：

1.编写java源文件。

2.Javac编译器将源文件编译成class文件。

3.加载.class文件。

然后虚拟机采用如下图所示的处理过程执行程序：

下面对JVM的运行组成做个说明：

1.JVM指令系统

JVM是对底层系统的抽象，同计算机指令系统一样，JVM提供指令系统，其指令也是由操作码和操作数两部分构成，JVM操作码是8位二进制数，所以JVM提供醉倒256种指令，已经使用160多种。

2.JVM寄存器

在普通的操作系统中，CPU包含一定的寄存器，JVM也设置了几种常用的寄存器，PC程序计数器，OPTOP操作数栈顶指针，FRAM当前执行环境指针，VARS指向当前执行环境第一个局部变量的指针。其中所有 寄存器都是32位，PC记录程序的执行，其他几个寄存器记录指向java栈区的指针。

其中，PC程序计数器可以理解为当前线程所执行的字节码行号指示器，在JVM概念模型中，字节码解释器通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理等都依赖于程序计数器。

3.堆栈结构以及存储区

JVM主要用栈来存储信息，当JVM得到.class的字节码后便为该代码中一个类的每个方法创建一个包含局部变量、执行环境、操作数的栈框架。，VARS寄存器指向局部变量中第一个变量的位置。操作数栈主要用于保存运算所需要的操作数以及运算的结果，执行的时候从栈顶弹出操作数进行运算，最后将运算结果压人栈顶。解释器具体承担实例空间的分配工作，解释器为实例分配完存储空间后就可以记录该实例所占用的内存区域的使用，一旦对象使用完毕就将其回收到堆中。也就是使用NEW语句构造出来的对象最终要存在堆上，如果不再使用则由垃圾回收机制回收，即堆是java垃圾收集器管理的主要区域，所以很多时候它称为GC区。为了存放类名称、方法和字段名称以及串常量，这些元素存放在JVM中的常量缓冲池，Java方法的字节码则存放在方法区。

4.垃圾回收机制

使用过C++编程的人一定会为C++中内存泄漏而苦恼，因为C++运行环境中，对象所占的内存在程序结束后不会主动释放，其释放必须通过程序员调用代码释放，而在Java中有完善的垃圾回收机制，在对象引用没有指向原先分配给某个对象的内存时，便忍者这块内存便成是垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾回收意味着程序不再需要的对象是“无用信息”，这些信息将被丢弃。当一个对象不再被引用的时候，内存回收它占领的空间，以便空间被后来的新对象使用。事实上，除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存记录碎片。由于创建对象和垃圾回收器释放丢弃对象所占的内存空间，内存会出现碎片。碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，JVM将整理出的内存分配给新的对象。垃圾回收能自动释放内存空间，减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具有一些优点。首先，它能使编程效率提高。在没有垃圾回收机制的时候，可能要花许多时间来解决一个难懂的存儲器问题。在用Java语言编程的时候，靠垃圾回收机制可大大缩短时间。其次是它保护程序的完整性，垃圾回收是Java语言安全性策略的一个重要部份。

经常有人说java的执行效率低，毕竟因为java是在底层的基础之上做了一层封装，其实现在经过JVM的优化，只要站在底层运行的角度去编写代码、优化代码和其他编译性程序语言相比，这种差距也越来越小，相比于JVM带来的极大便利，这点差距又算得了什么呢。

（作者简介：张卫，硕士研究生学历，计算机科学与技术专业，铜仁幼儿师范高等专科学校讲师，研究方向有：网格计算，计算机软件与程序设计，多年从事一线教育工作和知名大学计算机实训培训工作。）