JVM体系结构101：了解您的虚拟机

Java虚拟机（JVM）架构和Java字节码101的初学者速成班

Java应用程序无处不在，它们在我们的手机，平板电脑和计算机上。在许多编程语言中，这意味着要多次编译代码才能使其在不同的OS上运行。对于作为开发人员的我们来说，关于Java的最酷的事情可能是Java的设计与平台无关（俗话说“写一次，在任何地方运行”），因此我们只需要编写和编译一次代码。

这怎么可能？让我们深入研究Java虚拟机（JVM）进行查找。

JVM架构

这听起来可能令人惊讶，但是JVM本身对Java编程语言一无所知。相反，它知道如何执行自己的称为Java字节码的指令集，该指令集以二进制类文件形式组织。 Java代码由javac命令编译为Java字节码，然后由JVM在运行时将其翻译成机器指令。

线程数

Java被设计为并发的，这意味着可以通过在同一进程中运行多个线程来同时执行不同的计算。当新的JVM进程启动时，将在JVM中创建一个新线程（称为main thread ）。从该主线程开始运行代码，并可以生成其他线程。实际的应用程序可以具有成千上万个运行线程，这些线程可以满足不同的目的。有些服务于用户请求，另一些则执行异步后端任务，等等。

堆栈和框架

每个Java线程都会与框架堆栈一起创建，该框架堆栈用于保存方法框架并控制方法的调用和返回。方法框架用于存储数据及其所属方法的部分计算。方法返回时，其框架将被丢弃。然后，将其返回值传递回调用程序框架，现在可以使用它来完成自己的计算。

用于执行方法的JVM游乐场是方法框架。框架包括两个主要部分：

局部变量数组 –存储方法的参数和局部变量的位置
操作数堆栈 –执行方法的计算的位置

框架结构

几乎每个字节码命令都会操纵这两个命令中的至少一个。让我们看看如何。

怎么运行的

让我们来看一个简单的示例，以了解不同元素如何一起运行以运行我们的程序。假设我们有一个简单的程序来计算2 + 3的值并打印结果：

class SimpleExample {public static void main(String[] args) {int result = add(2,3);System.out.println(result);}public static int add(int a, int b) {return a+b;}
}

要编译此类，我们运行javac SimpleExample.java ，生成编译文件SimpleExample.class 。我们已经知道这是一个包含字节码的二进制文件。那么我们如何检查类字节码呢？使用javap 。

javap是JDK附带的命令行工具，可以反汇编类文件。调用javap -c -p会打印出该类的反汇编字节码（-c），包括私有（-p）成员和方法：

Compiled from "SimpleExample.java"
class SimpleExample {SimpleExample();Code:0: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V4: returnpublic static void main(java.lang.String[]);Code:0: iconst_21: iconst_32: invokestatic  #2                  // Method add:(II)I5: istore_16: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;9: iload_110: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V13: returnpublic static int add(int, int);Code:0: iload_01: iload_12: iadd3: ireturn
}

现在，JVM在运行时会发生什么？ java SimpleExample启动一个新的JVM进程，并创建了主线程。为main方法创建一个新框架，并将其推入线程堆栈。

public static void main(java.lang.String[]);Code:0: iconst_21: iconst_32: invokestatic  #2                  // Method add:(II)I5: istore_16: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;9: iload_110: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V13: return

main方法具有两个变量： args和result 。两者都驻留在局部变量表中。 main的前两个字节码命令iconst_2和iconst_3将常量值2和3分别加载到操作数堆栈中。下一个命令invokestatic调用静态方法add。由于此方法期望将两个整数用作参数，因此invokestatic从操作数堆栈中弹出两个元素，并将它们传递给JVM为add添加的新帧。 此时主操作数堆栈为空。

public static int add(int, int);Code:0: iload_01: iload_12: iadd3: ireturn

在添加框架中，这些参数存储在局部变量数组中。前两个字节码命令iload_0和iload_1将第0个和第1个局部变量加载到堆栈中。接下来， iadd从操作数堆栈中弹出顶部的两个元素，对其求和，然后将结果推回堆栈中。最后， ireturn弹出顶部元素，并将其作为方法的返回值传递给调用框架，并丢弃该框架。

public static void main(java.lang.String[]);Code:0: iconst_21: iconst_32: invokestatic  #2                  // Method add:(II)I5: istore_16: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;9: iload_110: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V13: return

main的堆栈现在保存add的返回值。 istore_1弹出它并将其设置为索引1处的变量的值，即result 。 getstatic将类型为java / io / PrintStream的静态字段java / lang / System.out推入堆栈。 iload_1将索引1处的变量（现在等于5的结果值）压入堆栈。因此，此时堆栈拥有2个值：“ out”字段和值5。现在invokevirtual将要调用PrintStream.println方法。它从堆栈中弹出两个元素：第一个是对将要调用println方法的对象的引用。第二个元素是要传递给println方法的整数参数，该参数需要一个参数。这是main方法打印add结果的地方。最后，返回命令完成该方法。主机被丢弃，JVM进程结束。

就是这个。总而言之，不太复杂。

“一次编写，随处运行”

那么，什么使Java与平台无关？全部都在字节码中。

如我们所见，任何Java程序都可以编译为标准Java字节码。然后，JVM在运行时将其转换为特定的机器指令。我们不再需要确保我们的代码与机器兼容。相反，我们的应用程序可以在装有JVM的任何设备上运行，并且JVM将为我们完成此操作。 JVM维护人员的工作是提供不同版本的JVM以支持不同的机器和操作系统。

这种体系结构使任何Java程序都可以在安装了JVM的任何设备上运行。这样魔术就发生了。