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二、Java虛擬機體系結構
Java虛擬機由五個(gè)部分組成:一組指令集、一組寄存器、一個(gè)棧、一個(gè)無(wú)用單元收集
堆(Garbage-collected-heap)、一個(gè)方法區域。這五部分是Java虛擬機的邏輯成份,不依
賴(lài)
實(shí)現技術(shù)或組織方式,但它們的功能必須在真實(shí)機器上以某種方式實(shí)現。
1.Java指令集
Java虛擬機支持大約248個(gè)字節碼。每個(gè)字節碼執行一種基本的CPU運算,例如,把一個(gè)
整數加到寄存器,子程序轉移等。Java指令集相當于Java程序的匯編語(yǔ)言。
Java指令集中的指令包含一個(gè)單字節的操作符,用于指定要執行的操作,還有0個(gè)或多個(gè)
操作數,提供操作所需的參數或數據。許多指令沒(méi)有操作數,僅由一個(gè)單字節的操作符構

成。
虛擬機的內層循環(huán)的執行過(guò)程如下:
do{
取一個(gè)操作符字節;
根據操作符的值執行一個(gè)動(dòng)作;
}while(程序未結束)
由于指令系統的簡(jiǎn)單性,使得虛擬機執行的過(guò)程十分簡(jiǎn)單,從而有利于提高執行的效
率。
指令中操作數的數量和大小是由操作符決定的。如果操作數比一個(gè)字節大,那么它存
儲的順序是高位字節優(yōu)先。例如,一個(gè)16位的參數存放時(shí)占用兩個(gè)字節,其值為:
第一個(gè)字節*256+第二個(gè)字節
字節碼指令流一般只是字節對齊的。指令tableswitch和lookup是例外,在這兩條指令內
部
要求強制的4字節邊界對齊。
2.寄存器
Java虛擬機的寄存器用于保存機器的運行狀態(tài),與微處理器中的某些專(zhuān)用寄存器類(lèi)似
。
Java虛擬機的寄存器有四種:
pc:Java程序計數器。
optop:指向操作數棧頂端的指針。
frame:指向當前執行方法的執行環(huán)境的指針。
vars:指向當前執行方法的局部變量區第一個(gè)變量的指針。(下轉第117版)
Java虛擬機
Java虛擬機是棧式的,它不定義或使用寄存器來(lái)傳遞或接受參數,其目的是為了保證指
令集的簡(jiǎn)潔性和實(shí)現時(shí)的高效性(特別是對于寄存器數目不多的處理器)。
所有寄存器都是32位的。
3.棧
Java虛擬機的棧有三個(gè)區域:局部變量區、運行環(huán)境區、操作數區。
(1)局部變量區　每個(gè)Java方法使用一個(gè)固定大小的局部變量集。它們按照與vars寄存
器的字偏移量來(lái)尋址。局部變量都是32位的。
長(cháng)整數和雙精度浮點(diǎn)數占據了兩個(gè)局部變量的空間,卻按照第一個(gè)局部變量的索引來(lái)
尋址。(例如,一個(gè)具有索引n的局部變量,如果是一個(gè)雙精度浮點(diǎn)數,那么它實(shí)際占據了索
引
n和n+1所代表的存儲空間。)虛擬機規范并不要求在局部變量中的64位的值是64位對齊的

。
虛擬機提供了把局部變量中的值裝載到操作數棧的指令,也提供了把操作數棧中的值
寫(xiě)入局部變量的指令。
(2)運行環(huán)境區　在運行環(huán)境中包含的信息用于動(dòng)態(tài)鏈接,正常的方法返回以及異常傳
播。
·動(dòng)態(tài)鏈接
運行環(huán)境包括對指向當前類(lèi)和當前方法的解釋器符號表的指針,用于支持方法代碼的
動(dòng)態(tài)鏈接。方法的class文件代碼在引用要調用的方法和要訪(fǎng)問(wèn)的變量時(shí)使用符號。動(dòng)態(tài)

鏈接把符號形式的方法調用翻譯成實(shí)際方法調用,裝載必要的類(lèi)以解釋還沒(méi)有定義的符號

,并把變量訪(fǎng)問(wèn)翻譯成與這些變量運行時(shí)的存儲結構相應的偏移地址。
動(dòng)態(tài)鏈接方法和變量使得方法中使用的其它類(lèi)的變化不會(huì )影響到本程序的代碼。
·正常的方法返回
如果當前方法正常地結束了,在執行了一條具有正確類(lèi)型的返回指令時(shí),調用的方法
會(huì )得到一個(gè)返回值。
執行環(huán)境在正常返回的情況下用于恢復調用者的寄存器,并把調用者的程序計數器增
加一個(gè)恰當的數值,以跳過(guò)已執行過(guò)的方法調用指令,然后在調用者的執行環(huán)境中繼續執

行下去。
·異常和錯誤傳播
異常情況在Java中被稱(chēng)作Error(錯誤)或Exception(異常),是Throwable類(lèi)的子類(lèi),在程序
中

的原因是:①動(dòng)態(tài)鏈接錯,如無(wú)法找到所需的class文件。②運行時(shí)錯,如對一個(gè)空指針的
引用
·程序使用了throw語(yǔ)句。
當異常發(fā)生時(shí),Java虛擬機采取如下措施:
·檢查與當前方法相聯(lián)系的catch子句表。每個(gè)catch子句包含其有效指令范圍,能夠處
理的異常類(lèi)型,以及處理異常的代碼塊地址。
·與異常相匹配的catch子句應該符合下面的條件:造成異常的指令在其指令范圍之內
,發(fā)生的異常類(lèi)型是其能處理的異常類(lèi)型的子類(lèi)型。如果找到了匹配的catch子句,那么系
統
轉移到指定的異常處理塊處執行;如果沒(méi)有找到異常處理塊,重復尋找匹配的catch子句的
過(guò)
程,直到當前方法的所有嵌套的catch子句都被檢查過(guò)。
·由于虛擬機從第一個(gè)匹配的catch子句處繼續執行,所以catch子句表中的順序是很重
要的。因為Java代碼是結構化的,因此總可以把某個(gè)方法的所有的異常處理器都按序排列

到一個(gè)表中,對任意可能的程序計數器的值,都可以用線(xiàn)性的順序找到合適的異常處理塊

,以處理在該程序計數器值下發(fā)生的異常情況。
·如果找不到匹配的catch子句,那么當前方法得到一個(gè)"未截獲異常"的結果并返回到
當前方法的調用者,好像異常剛剛在其調用者中發(fā)生一樣。如果在調用者中仍然沒(méi)有找到

相應的異常處理塊,那么這種錯誤傳播將被繼續下去。如果錯誤被傳播到最頂層,那么系

統將調用一個(gè)缺省的異常處理塊。
(3)操作數棧區　機器指令只從操作數棧中取操作數,對它們進(jìn)行操作,并把結果返回
到棧中。選擇棧結構的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的機器(如Intel486)上
,也
能夠高效地模擬虛擬機的行為。
操作數棧是32位的。它用于給方法傳遞參數,并從方法接收結果,也用于支持操作的參
數,并保存操作的結果。
例如,iadd指令將兩個(gè)整數相加。相加的兩個(gè)整數應該是操作數棧頂的兩個(gè)字。這兩
個(gè)字是由先前的指令壓進(jìn)堆棧的。這兩個(gè)整數將從堆棧彈出、相加,并把結果壓回到操作

數棧中。
每個(gè)原始數據類(lèi)型都有專(zhuān)門(mén)的指令對它們進(jìn)行必須的操作。每個(gè)操作數在棧中需要
一個(gè)存儲位置,除了long和double型,它們需要兩個(gè)位置。
操作數只能被適用于其類(lèi)型的操作符所操作。例如,壓入兩個(gè)int類(lèi)型的數,如果把它們
當作是一個(gè)long類(lèi)型的數則是非法的。在Sun的虛擬機實(shí)現中,這個(gè)限制由字節碼驗證器
強
制實(shí)行。但是,有少數操作(操作符dupe和swap),用于對運行時(shí)數據區進(jìn)行操作時(shí)是不考
慮類(lèi)
型的。
4.無(wú)用單元收集堆
Java的堆是一個(gè)運行時(shí)數據區,類(lèi)的實(shí)例(對象)從中分配空間。Java語(yǔ)言具有無(wú)用單元
收集能力:它不給程序員顯式釋放對象的能力。Java不規定具體使用的無(wú)用單元收集算法

,可以根據系統的需求使用各種各樣的算法。
5.方法區
方法區與傳統語(yǔ)言中的編譯后代碼或是Unix進(jìn)程中的正文段類(lèi)似。它保存方法代碼
(編譯后的java代碼)和符號表。在當前的Java實(shí)現中,方法代碼不包括在無(wú)用單元收集堆
中
,但計劃在將來(lái)的版本中實(shí)現。
每個(gè)類(lèi)文件包含了一個(gè)Java類(lèi)或一個(gè)Java界面的編譯后的代碼?？梢哉f(shuō)類(lèi)文件是Java語(yǔ)

言的執行代碼文件。為了保證類(lèi)文件的平臺無(wú)關(guān)性,Java虛擬機規范中對類(lèi)文件的格式也

作了詳細的說(shuō)明。其具體細節請參考Sun公司的Java虛擬機規范。