摘要：在本文，筆者將與大家概覽的體系結(jié)構(gòu)與工作方式。將第條和第條指令分別是將兩個局部變量入棧，然后相加。最后一條指令是，這條指令執(zhí)行完后當(dāng)前的這個方法對應(yīng)的這些部件會被回收，局部變量區(qū)的所有值將全部釋放，寄存器會被銷魂，在棧中與這個方

Java之所以號稱“一次編譯，到處運(yùn)行”，主要原因是JVM屏蔽了各個計(jì)算機(jī)平臺相關(guān)的軟件（大多指系統(tǒng)）或者硬件之間的差異，使得與平臺相關(guān)的耦合統(tǒng)一由JVM提供者來實(shí)現(xiàn)。在本文，筆者將與大家概覽JVM的體系結(jié)構(gòu)與工作方式。

JVM和實(shí)體機(jī)器的體系結(jié)構(gòu)有點(diǎn)相似，主要由以下幾個部分組成：

自己的指令集（篇幅過大，這里不會描述）

類加載器（在JVM啟動時(shí)或者在類運(yùn)行時(shí)將需要的class加載到JVM中）

執(zhí)行引擎（執(zhí)行引擎的任務(wù)是負(fù)責(zé)執(zhí)行class文件中包含的字節(jié)碼指令，相當(dāng)于實(shí)際機(jī)器上的CPU）

內(nèi)存區(qū)（將內(nèi)存劃分成若干區(qū)以模擬實(shí)際機(jī)器上的存儲、記錄和調(diào)度功能模塊，如實(shí)際機(jī)器上的各種功能的寄存器或者PC指針的記錄器等）

本地方法調(diào)用（調(diào)用C或C++實(shí)現(xiàn)的本地方法的代碼返回結(jié)果）

下面簡單介紹一下

執(zhí)行引擎是JVM的核心部分，執(zhí)行引擎的作用就是解析JVM字節(jié)碼指令，得到執(zhí)行結(jié)果。JVM虛擬機(jī)規(guī)范詳細(xì)地定義了執(zhí)行引擎遇到每條字節(jié)碼指令時(shí)應(yīng)該處理什么，并且應(yīng)該得到什么結(jié)果。但是并沒有規(guī)定執(zhí)行引擎應(yīng)該如何或采用什么方式處理而得到這個結(jié)果。因?yàn)閳?zhí)行引擎具體采取什么方式由JVM的實(shí)現(xiàn)廠家自己去實(shí)現(xiàn)，是直接解釋執(zhí)行還是采用JIT轉(zhuǎn)換成本地代碼去執(zhí)行，還是采用寄存器這個芯片模式去執(zhí)行都可以。所以執(zhí)行引擎的具體實(shí)現(xiàn)有很大的發(fā)揮空間，如SUN的hotspot的基于棧的執(zhí)行引擎，而Google的Dalvik的基于寄存器的執(zhí)行引擎。

執(zhí)行引擎也就是執(zhí)行一條條代碼的一個流程，而代碼都是包含在方法體內(nèi)的，所以執(zhí)行引擎本質(zhì)上就是執(zhí)行一個個方法所串起來的流程，對應(yīng)到操作系統(tǒng)中一個執(zhí)行流程是一個Java進(jìn)程還是一個Java線程呢？很顯然是后者，因?yàn)橐粋€Java進(jìn)程可以有多個同時(shí)執(zhí)行的執(zhí)行流程。這樣說來每個Java線程就是一個執(zhí)行引擎的實(shí)例，那么在一個JVM實(shí)例中就會同時(shí)有多個執(zhí)行在引擎在工作，這些執(zhí)行引擎有的在執(zhí)行用戶的程序，有的在執(zhí)行JVM內(nèi)部的程序（如Java垃圾收集器）。

執(zhí)行引擎在執(zhí)行一段程序時(shí)需要存儲一些東西，如：操作碼需要的操作數(shù)，操作碼執(zhí)行結(jié)果需要保存。Class類的字節(jié)碼還有類的對象等信息都需要在執(zhí)行引擎執(zhí)行之前就準(zhǔn)備好。一個JVM實(shí)例會有一個方法區(qū)、Java堆、Java棧、PC寄存器和本地方法區(qū)。其中方法區(qū)和Java堆是所有線程共享的，也就是可以被所有執(zhí)行引擎實(shí)例訪問。每個新的執(zhí)行引擎實(shí)例被創(chuàng)建時(shí)會為這個執(zhí)行引擎創(chuàng)建一個Java棧和一個PC寄存器，如果當(dāng)前正在執(zhí)行一個Java方法，那么在當(dāng)前的這個Java棧中保存的是該線程中方法調(diào)用的狀態(tài)，包括方法的參數(shù)、方法的局部變量、方法的返回值以及運(yùn)算的中間結(jié)果等。而PC寄存器會指向即將執(zhí)行的下一個指令。

如果是本地方法調(diào)用，則存儲在本地方法調(diào)用棧中或者特定實(shí)現(xiàn)中的某個內(nèi)存區(qū)域中。

考慮到篇幅大小，故另寫一篇文章：淺析JVM之內(nèi)存管理

之前簡單分析了JVM的基本結(jié)構(gòu)，下面再簡單分析一下JVM是如何執(zhí)行字節(jié)命令的，也就是前面介紹的執(zhí)行引擎是如何工作的。

我們知道，計(jì)算機(jī)只接受機(jī)器指令，其他高級語言必須先經(jīng)過編譯器編譯成機(jī)器指令才能被計(jì)算機(jī)正確執(zhí)行。然而機(jī)器語言一般和硬件平臺密切相關(guān)（指令集、CPU架構(gòu)的因素等），但高級語言會屏蔽所有底層硬件平臺甚至軟件平臺。之所以可以屏蔽是因?yàn)橹虚g有個編譯環(huán)節(jié)，與硬件耦合的麻煩就交給了編譯器。所以，想說的是：編譯器和操作系統(tǒng)的關(guān)系非常密切。比如C語言在win下編譯器為Microsoft C，而Linux下通常是gcc。

通常一個程序從編寫到執(zhí)行會經(jīng)歷以下階段：

源代碼(source code)

預(yù)處理器(preprocessor)

編譯器(compiler)

匯編程序(assembler)

目標(biāo)代碼(object code)

鏈接器(linker)

可執(zhí)行程序(executables)

除了1、7兩步，其他都是由現(xiàn)代意義上的編譯器統(tǒng)一完成的。最常見的栗子是在Linux平臺下我們通常安裝一個軟件需要經(jīng)過configure、make、make install、make clean這4個步驟來完成。

configure為這個程序在當(dāng)前的操作系統(tǒng)環(huán)境下選擇適合的編譯器來編譯這個程序代碼，也就是為這個程序代碼選擇合適的編譯器和一些環(huán)境參數(shù)；

make 可以猜到：對程序代碼進(jìn)行編譯操作，將源碼編譯可執(zhí)行的目標(biāo)文件

make install 將已經(jīng)編譯好的可執(zhí)行文件安裝到操作系統(tǒng)指定或者默認(rèn)的安裝目錄下

make clean 用刪除編譯時(shí)臨時(shí)產(chǎn)生的目標(biāo)文件

值得注意的是，我們通常所說的是編譯器都是將某種高級語言直接編譯成可執(zhí)行的目標(biāo)機(jī)器語言（實(shí)際上在某種操作系統(tǒng)中是ixuyao動態(tài)連接的二進(jìn)制文件：在Windows下是dynamic link library，Dll;在linux下是Shared library，SO庫）。但是實(shí)際上還有一些編譯是將一種高級語言編譯成另一種高級語言，或者將低級語言編譯成高級語言（反編譯），或者將高級語言編譯成虛擬機(jī)目標(biāo)語言，如Java編譯器等。

再回到如何讓機(jī)器（不管是實(shí)體機(jī)還是虛擬機(jī)）執(zhí)行代碼的主題，不管是如何指令集都只有集中最基本的元素：加、減、乘、除、求余、求模等。這些運(yùn)算又可以進(jìn)一步分解成二進(jìn)制位運(yùn)算：與、或、異或等。這些運(yùn)算又通過指令來完成，而指令的核心目的就是確定需要運(yùn)算的種類（操作碼）和運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)（操作數(shù)），以及從哪里（寄存器或棧）獲取操作數(shù)、將運(yùn)算結(jié)果存放到什么地方（寄存器或是棧）等。這種不同的操作方式又將指令劃分成：一地址指令、二地址指令、三地址指令和零地址指令等n地址指令。相應(yīng)的指令集會有對應(yīng)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如基于寄存器的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)或基于棧的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這里的基于寄存器或棧都是指在一個指令中的操作數(shù)是如何存取的。

學(xué)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的小伙伴都知道，對棧進(jìn)行操作是要先將所有的操作數(shù)壓入棧，然后根據(jù)指令中操作碼選擇一定的元素彈出計(jì)算后再壓入棧。相對于寄存器操作（將兩個操作數(shù)存入寄存器后進(jìn)行加法運(yùn)算后再將加過存入其中一個寄存器即可）是比較麻煩的。那么，JVM為什么還要基于棧來設(shè)計(jì)呢？

JVM要設(shè)計(jì)成與平臺無關(guān)

有些平臺上的寄存器很少或者根本沒有，而且以處理器架構(gòu)的角度來說，設(shè)計(jì)一套通用的寄存器指令是很困難的。比如在android上，google的Dalvik VM就是基于ARM平臺設(shè)計(jì)的寄存器架構(gòu)，這樣性能上的確更優(yōu)了，但是犧牲了跨平臺的移植性。

為了指令的緊湊型

每當(dāng)創(chuàng)建一個新的線程時(shí)，JVM會為這個線程創(chuàng)建一個Java棧，同時(shí)會為這個線程分配一個PC寄存器，并且這個PC寄存器會指向這個線程的第一行可執(zhí)行代碼。每當(dāng)調(diào)用一個新方法時(shí)會在這個棧上創(chuàng)建一個新的棧幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這個幀棧會保留這個方法的一些元信息——如這個方法中定義的局部變量、一些用來支持常量池的解析、正常方法返回及異常處理機(jī)制等。

JVM調(diào)用某些指令時(shí)可能需要使用到常量池中的一些常量，或者是獲取常量代表的數(shù)據(jù)或者這個數(shù)據(jù)指向的實(shí)例化對象，而這些信息都存儲在所有線程共享的方法區(qū)和Java堆中。

下面以一個簡單的程序來說明執(zhí)行引擎的執(zhí)行過程。

public class Math{
  public static void main(String[]args){
    int a=1;
    int b=2;
    int c = (a+b)*10;
  }
}

其中對應(yīng)的字節(jié)碼指令如下：

對應(yīng)到執(zhí)行引擎的各執(zhí)行部件如圖

在開始執(zhí)行方法之前，PC寄存器存儲的指針是第1條指令的地址，局部變量區(qū)和操作棧都沒有數(shù)據(jù)。從第1條和第4條指令分別將a、b兩個本地變量賦值，對應(yīng)到局部變量區(qū)就是1和2分別存儲常數(shù)1和2。

前4條指令執(zhí)行完后，PC寄存器當(dāng)前指向的是下一條指令地址，也就是第5條指令，這時(shí)局部變量區(qū)已經(jīng)保存了兩個局部變量（也就是變量a和變量b的值），而操作棧里仍然沒有值，因?yàn)閮纱纬?shù)入棧后又分別出棧了。

將第5條和第6條指令分別是將兩個局部變量入棧，然后相加。如圖

1先入棧2后入棧，棧頂元素是2，第7條指令是棧頂?shù)膬蓚€元素彈出后相加，將結(jié)果再入棧，這時(shí)整個部件狀態(tài)如圖

可以看出，變量a和變量b想加的結(jié)果3存在當(dāng)前棧的棧頂中，接下來是第8條指令將10入棧，如圖

當(dāng)前PC寄存器執(zhí)行的地址是9，下一個操作是將當(dāng)前棧的兩個操作數(shù)彈出進(jìn)行相乘并把結(jié)果壓入棧，如圖

第10條指令是將當(dāng)前的棧頂元素存入局部變量3中，這是狀態(tài)如圖

第10條指令執(zhí)行完后棧中元素出棧，出棧的元素存儲在局部變量區(qū)3中，對應(yīng)的是變量c的值。最后一條指令是return ，這條指令執(zhí)行完后當(dāng)前的這個方法對應(yīng)的這些部件會被JVM回收，局部變量區(qū)的所有值將全部釋放，PC寄存器會被銷魂，在Java棧中與這個方法對應(yīng)的棧幀將消失。

JVM的方法調(diào)用分別為兩種：

Java方法調(diào)用

本地方法調(diào)用

由于本地方法調(diào)用各個虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)不太相同，所以這里主要介紹Java的方法調(diào)用情況。

public class Math{
  public static void main(String[]args){
    int a =1;
    int b=2;
    int c=math(a,b)/10;
  }
  public static int math(int a, int b){
    return (a+b)*10;
  }
}

那么其中兩個方法對應(yīng)的字節(jié)碼分別如下：

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
    0:  iconst_1
    1:  istore_1
    2:  iconst_2
    3:  istore_2
    4:  iload_1
    5:  iload_2
    6:  invokestatic  #2; //Method math:(II)
    9:  bipush 10
    11: idiv
    12: istore_3
    13: return

public static int math(int ,int );
  Code:
    0: iload_0
    1: iload_1
    2: iadd
    3: bipush 10
    5: imul
    6: ireturn                        

當(dāng)JVM執(zhí)行main方法時(shí)，首先將常數(shù)1和2分別存儲到局部變量區(qū)1和2中，然后調(diào)用靜態(tài)math方法。從math的字節(jié)碼指令可以看出，math方法的兩個參數(shù)也存儲在其對應(yīng)的方法棧幀中的局部變量區(qū)0和1中，先將這兩個局部變量分別入棧，然后進(jìn)行相加操作再和常數(shù)10相乘。

那么來看一下實(shí)際的操作，如圖

上圖是JVM執(zhí)行到第5條指令時(shí)，執(zhí)行引擎各部件的狀態(tài)圖，PC寄存器指向的是下一條執(zhí)行math方法的地址。當(dāng)執(zhí)行invokestatic指令時(shí)JVM會為math方法創(chuàng)建一個新的棧幀，并且將兩個參數(shù)存在math方法的棧幀的前兩個局部變量區(qū)中，這時(shí)PC寄存器會清零，并且會指向math方法對應(yīng)棧幀的第一條指令地址，這時(shí)的狀態(tài)如下圖

執(zhí)行invokestatic指令時(shí)，創(chuàng)建了一個新的棧幀，這是棧幀的局部變量中已經(jīng)有了兩個變量了，這兩個變量是從main方法的棧幀中的操作棧中傳過來的。當(dāng)執(zhí)行math方法時(shí)，math方法對應(yīng)的棧幀成為當(dāng)前的活動棧幀，PC寄存器保存的是當(dāng)前這個戰(zhàn)爭中的下一條指令地址，所以是0。

math方法先將a、b兩個變量相加，再乘以10，最后返回這個結(jié)果執(zhí)行到第5條指令的狀態(tài)，如下圖

math的操作棧中的棧頂元素相乘的結(jié)果是30，最后一條指令是ireturn，這條指令是將當(dāng)前棧幀中的棧頂元素返回到調(diào)用這個方法的棧中，而這個棧幀也將撤銷，PC寄存器的值回復(fù)調(diào)用棧的下一條指令地址，如下圖

main方法將math方法返回的結(jié)果再除以10存放在變量區(qū)3中，這時(shí)的狀態(tài)如圖所示

當(dāng)執(zhí)行return指令時(shí)main方法對應(yīng)的棧幀也將撤銷，如果當(dāng)前線程對應(yīng)的Java棧中沒有棧幀，這個Java棧也將被JVM撤銷，整個JVM退出。