什么是Java虛擬機

作為一個Java程序員，我們每天都在寫Java代碼，我們寫的代碼都是在一個叫做Java虛擬機的東西上執(zhí)行的。但是如果要問什么是虛擬機，恐怕很多人就會模棱兩可了。在本文中，我會寫下我對虛擬機的理解。因為能力所限，可能有些地方描述的不夠欠當。如果你有不同的理解，歡迎交流。

我們都知道Java程序必須在虛擬機上運行。那么虛擬機到底是什么呢？先看網(wǎng)上搜索到的比較靠譜的解釋：

虛擬機是一種抽象化的計算機，通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。Java虛擬機有自己完善的硬體架構，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應的指令系統(tǒng)。JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關的信息，使得Java程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行。

這種解釋應該算是正確的，但是只描述了虛擬機的外部行為和功能，并沒有針對內部原理做出說明。一般情況下我們不需要知道虛擬機的運行原理，只要專注寫java代碼就可以了，這也正是虛擬機之所以存在的原因--屏蔽底層操作系統(tǒng)平臺的不同并且減少基于原生語言開發(fā)的復雜性，使java這門語言能夠跨各種平臺（只要虛擬機廠商在特定平臺上實現(xiàn)了虛擬機），并且簡單易用。這些都是虛擬機的外部特性，但是從這些信息來解釋虛擬機，未免太籠統(tǒng)了，無法讓我們知道內部原理。

從進程的角度解釋JVM

讓我們嘗試從操作系統(tǒng)的層面來理解虛擬機。我們知道，虛擬機是運行在操作系統(tǒng)之中的，那么什么東西才能在操作系統(tǒng)中運行呢？當然是進程，因為進程是操作系統(tǒng)中的執(zhí)行單位?？梢赃@樣理解，當它在運行的時候，它就是一個操作系統(tǒng)中的進程實例，當它沒有在運行時（作為可執(zhí)行文件存放于文件系統(tǒng)中），可以把它叫做程序。

對命令行比較熟悉的同學，都知道其實一個命令對應一個可執(zhí)行的二進制文件，當敲下這個命令并且回車后，就會創(chuàng)建一個進程，加載對應的可執(zhí)行文件到進程的地址空間中，并且執(zhí)行其中的指令。下面對比C語言和Java語言的HelloWorld程序來說明問題。

首先編寫C語言版的HelloWorld程序。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
 
int main(void) { 
  printf("hello world\n"); 
  return 0; 
} 

編譯C語言版的HelloWorld程序：

gcc HelloWorld.c -o HelloWorld 

運行C語言版的HelloWorld程序：

zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloWorld/src$ ./HelloWorld  
hello world 

gcc編譯器編譯后的文件直接就是可被操作系統(tǒng)識別的二進制可執(zhí)行文件，當我們在命令行中敲下 ./HelloWorld這條命令的時候， 直接創(chuàng)建一個進程， 并且將可執(zhí)行文件加載到進程的地址空間中， 執(zhí)行文件中的指令。

作為對比， 我們看一下Java版HelloWord程序的編譯和執(zhí)行形式。

首先編寫源文件HelloWord.java ：

public class HelloWorld { 
 
  public static void main(String[] args) { 
    System.out.println("HelloWorld"); 
  } 
} 

編譯Java版的HelloWorld程序：

zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ javac HelloWorld.java  
zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ ls 
HelloWorld.class HelloWorld.java 

運行Java版的HelloWorld程序：

zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ java -classpath . HelloWorld  
HelloWorld 

從上面的過程可以看到， 我們在運行Java版的HelloWorld程序的時候， 敲入的命令并不是 ./HelloWorld.class 。 因為class文件并不是可以直接被操作系統(tǒng)識別的二進制可執(zhí)行文件 。 我們敲入的是java這個命令。 這個命令說明， 我們首先啟動的是一個叫做java的程序， 這個java程序在運行起來之后就是一個JVM進程實例。

上面的命令執(zhí)行流程是這樣的：

java命令首先啟動虛擬機進程，虛擬機進程成功啟動后，讀取參數(shù)“HelloWorld”，把他作為初始類加載到內存，對這個類進行初始化和動態(tài)鏈接（關于類的初始化和動態(tài)鏈接會在后面的博客中介紹），然后從這個類的main方法開始執(zhí)行。也就是說我們的.class文件不是直接被系統(tǒng)加載后直接在cpu上執(zhí)行的，而是被一個叫做虛擬機的進程托管的。首先必須虛擬機進程啟動就緒，然后由虛擬機中的類加載器加載必要的class文件，包括jdk中的基礎類（如String和Object等），然后由虛擬機進程解釋class字節(jié)碼指令，把這些字節(jié)碼指令翻譯成本機cpu能夠識別的指令，才能在cpu上運行。

從這個層面上來看，在執(zhí)行一個所謂的java程序的時候，真真正正在執(zhí)行的是一個叫做Java虛擬機的進程，而不是我們寫的一個個的class文件。這個叫做虛擬機的進程處理一些底層的操作，比如內存的分配和釋放等等。我們編寫的class文件只是虛擬機進程執(zhí)行時需要的“原料”。這些“原料”在運行時被加載到虛擬機中，被虛擬機解釋執(zhí)行，以控制虛擬機實現(xiàn)我們java代碼中所定義的一些相對高層的操作，比如創(chuàng)建一個文件等，可以將class文件中的信息看做對虛擬機的控制信息，也就是一種虛擬指令。

編程語言也有自己的原理， 學習一門語言， 主要是把它的原理搞明白。 看似一個簡單的HelloWorld程序， 也有很多深入的內容值得剖析。

JVM體系結構簡介

為了展示虛擬機進程和class文件的關系，特意畫了下面一張圖：

根據(jù)上圖表達的內容，我們編譯之后的class文件是作為Java虛擬機的原料被輸入到Java虛擬機的內部的，那么具體由誰來做這一部分工作呢？其實在Java虛擬機內部，有一個叫做類加載器的子系統(tǒng)，這個子系統(tǒng)用來在運行時根據(jù)需要加載類。注意上面一句話中的“根據(jù)需要”四個字。在Java虛擬機執(zhí)行過程中，只有他需要一個類的時候，才會調用類加載器來加載這個類，并不會在開始運行時加載所有的類。就像一個人，只有餓的時候才去吃飯，而不是一次把一年的飯都吃到肚子里。一般來說，虛擬機加載類的時機，在第一次使用一個新的類的時候。本專欄后面的文章會具體討論Java中的類加載器。

由虛擬機加載的類，被加載到Java虛擬機內存中之后，虛擬機會讀取并執(zhí)行它里面存在的字節(jié)碼指令。虛擬機中執(zhí)行字節(jié)碼指令的部分叫做執(zhí)行引擎。就像一個人，不是把飯吃下去就完事了，還要進行消化，執(zhí)行引擎就相當于人的腸胃系統(tǒng)。在執(zhí)行的過程中還會把各個class文件動態(tài)的連接起來。關于執(zhí)行引擎的具體行為和動態(tài)鏈接相關的內容也會在本專欄后續(xù)的文章中進行討論。

我們知道，Java虛擬機會進行自動內存管理。具體說來就是自動釋放沒有用的對象，而不需要程序員編寫代碼來釋放分配的內存。這部分工作由垃圾收集子系統(tǒng)負責。

從上面的論述可以知道， 一個Java虛擬機實例在運行過程中有三個子系統(tǒng)來保障它的正常運行，分別是類加載器子系統(tǒng)， 執(zhí)行引擎子系統(tǒng)和垃圾收集子系統(tǒng)。 如下圖所示：

虛擬機的運行，必須加載class文件，并且執(zhí)行class文件中的字節(jié)碼指令。它做這么多事情，必須需要自己的空間。就像人吃下去的東西首先要放在胃中。虛擬機也需要空間來存放個中數(shù)據(jù)。首先，加載的字節(jié)碼，需要一個單獨的內存空間來存放；一個線程的執(zhí)行，也需要內存空間來維護方法的調用關系，存放方法中的數(shù)據(jù)和中間計算結果；在執(zhí)行的過程中，無法避免的要創(chuàng)建對象，創(chuàng)建的對象需要一個專門的內存空間來存放。關于虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的內容，也會出現(xiàn)在本專欄后續(xù)的文章中。虛擬機的運行時內存區(qū)大概可以分成下圖所示的幾個部分。(這里只是大概劃分， 并沒有劃分的很精細)

總結

寫到這里，基本上關于我對java虛擬機的理解就寫完了。這篇文章的主題雖然是深入理解Java虛擬機，但是你可能感覺一點也不“深入”，也只是泛泛而談。我也有這樣的感覺。限于自己水平有限，也只能這樣了，要是想深入理解java虛擬機，強烈建議讀一下三本書：

《深入Java虛擬機》
《深入理解Java虛擬機JVM高級特性與最佳實踐》
《Java虛擬機規(guī)范》

其實我也讀過這幾本書，但是它們對虛擬機的解釋也是基于一個外部模型，而沒有深入剖析虛擬機內部的實現(xiàn)原理。虛擬機是一個大而復雜的東西，實現(xiàn)虛擬機的人都是大牛級別的，如果不是參與過虛擬機的實現(xiàn)，應該很少有人能把它參透。本專欄后面的一些文章也參考了這三本書， 雖然講解Java語法的書不計其數(shù)， 但是深入講解虛擬機的書， 目前為止我就見過這三本，并且網(wǎng)上的資料也不是很多。

最后做一個總結：

1 虛擬機并不神秘，在操作系統(tǒng)的角度看來，它只是一個普通進程。

2 這個叫做虛擬機的進程比較特殊，它能夠加載我們編寫的class文件。如果把JVM比作一個人，那么class文件就是我們吃的食物。

3 加載class文件的是一個叫做類加載器的子系統(tǒng)。就好比我們的嘴巴，把食物吃到肚子里。

4 虛擬機中的執(zhí)行引擎用來執(zhí)行class文件中的字節(jié)碼指令。就好比我們的腸胃，對吃進去的食物進行消化。

5 虛擬機在執(zhí)行過程中，要分配內存創(chuàng)建對象。當這些對象過時無用了，必須要自動清理這些無用的對象。清理對象回收內存的任務由垃圾收集器負責。就好比人吃進去的食物，在消化之后，必須把廢物排出體外，騰出空間可以在下次餓的時候吃飯并消化食物。

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