Java虚拟机，即Java Virtual Machine, 简称JVM。JVM提供商包括Sum、BEA、IBM等。1999年，Sun公司发布了由C/C++实现的HotSpot Java 虚拟机。2006年，在JavaOne大会上开源了其先关核心技术，启动OpenJDK项目，逐步形成了活跃的OpenJDK社区。2010年，Sun公司被Oracle公司收购。Oracle的HotSpot JVM实现，是目前OpenJDK使用的主流JVM ,它采用解释和编译混合执行的模式，其JIT技术采用分层编译，极大的提高了Java的执行速度。BEA的JRockit在2008年被并入HotSpot;IBM的J9也在2017年开源，形成了现在的OpenJ9社区。
随着互联网的蓬勃发展及AI时代的到来，Java在这些计算领域占据着越来越重要的地位。目前主流的高科技公司都有独立的JVM团队基于OpenJDK开发自己定制版本。如阿里(AlibabaJDK 简称AJDK)、谷歌、亚马逊（Corretto）等等。
字节码
0和1是计算机仅能识别的信号，经过0和1不同的组合产生了数字之上的操作。另外，通过不同的组合亦产生了各种字符。同样可以不同的组合产生不同的机器指令。在不同的时代，不同的厂商，机器指令组成的结合是不同的。但毕竟CPU是底层基础硬件，指令集通常以扩展兼容的方式向前不断演进。而机器码是离CPU指令最近的编码，是CPU可以直接解读的指令，因此机器码肯定是与底层硬件系统耦合的。
如果某个程序因为不同的硬件平台需要编写多套代码，这是十分让人崩溃的。Java的使命就是一次编译，到处执行。在不同的操作系统，不同的硬件平台上，均可以不用修改代码即可顺畅的执行，如何实现跨平台？ 计算机工程领域的任何问题都可以增加一个中间层来解决。因此中间码应用而生，即字节码（Bytecode）.Java所有的指令有200个左右，一个字节（8位）可以存储256种不同的指令信息，一个这样的字节码就称为字节码（Bytecode）。在代码的执行过程中，JVM将字节码解释执行，屏蔽对底层操作系统的依赖；JVM也可以将字节码编译执行，如果是热点代码，会通过JIT动态的编译为机器码，提高执行效率。如下图所示，十六进制表示的的二进制流通常是一个操作指令。起始的4个字节非常特殊，及绿色框的cafe babe(十六进制）是Gosling定义的一个魔法数，意思的Cafe Baby, 其十进制为3405691582。 它的作用：标志该文件是一个Java类文件，如果没有识别到该标志，说明该文件不是Java类文件或者文件已经损坏，无法进行加载。而红色框代码着版本号，0x37 十进制为55，是JDK11的内部版本号。
类的二进制字节码
纯数字的字节码阅读起来向天书一样难，当初汇编语言为了改进机器语言，使用助记符来代码数字指令。JVM在字节码上也设计了一套操作码助记符，使用特殊单词来标记这些数字。如ICONST_0代表00000001，即十六进制数为0x03;ALOAD_0代表00101010,即 0x2a; POP 代 表 01010111，即0x57。ICONST和ALOAD 的首字母表示具体的数据类型，如A代表引用类型变量，I代表int类型相关操作，其他类型均是其类型的首字母，例如 FLOAD_0、LLOAD_0 FCONST_0等。字节码主要指令如下。
1. 加载或存储指令
在某个栈帧中，通过指令操作数据在虚拟机栈的局部变量表与操作栈之间来回传输，常见指令如下:
- 将局部变量加载到操作栈中。如 LOAD(将 int 型的局部变量压入栈和ALOAD ( 将对象引用的局部变量压入栈)等。
- 从操作栈顶存储到局部变量表。如 ISTORE、ASTORE等。
- 将常加载到操作栈顶，这是极为高频使用的指令。如ICONST、BIPUSH、SIPUSH、LDC 等。
- ICONST加载的是-1~5的数(ICONST与 BIPUSH 的加载界限)。
- BIPUSH，即 Byte Immediate PUSH，加载 -128 ~ 127 之间的数。
- SIPUSH，即 Short Immediate PUSH，加载 -32768 ~ 32767 之间的数。
- LDC，即 Load Constant，在-2147483648 ~ 2147483647 或者是字符串时JVM 采用LDC 指令压入栈中。
//BIPUSH-2,在-1至5之外的数字使用BIPUSH指令加载
int a = -2;
//ICONST_M1 // -1，直接使用 ICONST 加的最小值
int b = -1;
//ICONST_0
int c = 0;
//SIPUSH 20000
int e = 20000;
//LDC 40000
int f = 40000;
2. 运算指令
对两个操作栈帧上的值进行运算，并把结果写入操作栈顶，如IADD、IMUL等
3. 类型转换指令
显式转换两种不同的数值类型。如I2L、D2F 等。
4. 对象创建与访问指令
根据类进行对象的创建、初始化、方法调用相关指令，常见指令如下
- 创建对象指令。如NEW、NEWARRAY等。
- 访问属性指令。如GETFIELD、PUTFIELD、GETSTATIC 等
- 检查实例类型指令。如INSTANCEOF、CHECKCAST 等。
5. 操作栈管理指令
JVM 提供了直接控制操作栈的指令，常见指令如下
- 出栈操作。如POP 即一个元素，POP2 即两个元素
- 复制栈顶元素并压入栈。如 DUP。
6. 方法调用与返回指令
常见指令如下:
- INVOKEVIRTUAL 指令:调用对象的实例方法。
- INVOKESPECIAL 指令:调用实例初始化方法、私有方法、父类方法等
- INVOKESTATIC 指令:调用类静态方法。
- RETURN 指令: 返回VOID 类型
7. 方法调用与返回指令
JVM使用方法结构中的ACC_SYNCHRONIZED标志同步方法，指令集中有MONITORENTER和MONITOREXIT支持 synchronized 语义。
除字节码指令外，还包含一些额外信息。例如，LINENUMBER存储了字节码与源码行号的对应关系，方便调试的时候正确地定位到代码的所在行;LOCALVARIABLE存储当前方法中使用到的局部变量表。
我们编写好的.java 文件是源代码文件，并不能交给机器直接执行，需要将其编译成为字节码甚至是机器码文件。那么静态编译器如何把源码转化成字节码呢?如下图
源码转字节码
词法解析是通过空格分隔出单词、操作符、控制符等信息，将其形成token信息流，传递给语法解析器:在语法解析时，把词法解析得到的token信息流按照Java语法规则组装成一棵语法树，如上图虚线框所示，在语义分析阶段，需要检查关键字的使用是否合理、类型是否匹配、作用域是否正确等;当语义分析完成之后，即可生成字节码字节码必须通过类加载过程加载到JVM环境后，才可以执行。执行有三种模第一，解释执行;第二，JIT 编译执行，第三，JIT 编译与解释混合执行(主流J默认执行模式)。混合执行模式的优势在于解释器在启动时先解释执行，省去编译时间随着时间推进，JVM 通过热点代码统计分析，识别高频的方法调用、循环体、公共模块等，基于强大的JIT 动态编译技术，将热点代码转换成机器码，直接交给 CPU执行。JIT的作用是将Java 字节码动态地编译成可以直接发送给处理器指令执行的机器码。简要流程如下图所示。
即时编译流程
网友评论