JVM是什么？JVM虛擬機的棧執(zhí)行原理詳細概述

什么是JVM

這個大家都應(yīng)該很熟悉了吧，JVM不就是虛擬機嗎？

Java虛擬機本質(zhì)上就是一個程序，當它在命令行上啟動的時候，就開始執(zhí)行保存在某字節(jié)碼文件中的指令。

JVM可以說離我們既熟悉又陌生，很多朋友可能在工作中接觸不到這塊技術(shù)，但是在面試往往被問到（概率還蠻大），被問到了自認倒霉，死記硬背是沒用的，到頭來還是的忘，今天給大家說道說道JVM知識點，我要沒讓你明白算我輸，你可以留言噴我，如果要是可以，你們也給我點個贊成不？

初識JVM

相信這張圖大家都不陌生，這是整個Java體系，其中包括JDK.JRE.JVM三者的關(guān)系。

圖中可以看得出來JRE包含了JVM，JDK包含了JRE。

從包含的角度就是： JDK是爺爺 JRE是父親 JVM是兒子（如果覺得列子不太恰當）來看圖

我們來看代碼:

public class App {

private String name;

private Object object = new Object();

/***

* 運算

*/

public int add() {

int a = 1;

int b = 2;

int c = (a + b) * 100;

return c;

}

/**

* 程序入口

*/

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

App app = new App();

int result = app.add();

System.out.println(result);

}

}

我們運行上述代碼輸出結(jié)果是300，雖然這個代碼非常簡單，這個時候已經(jīng)涉及到JVM相關(guān)的知識了，在我們學Java基礎(chǔ)的時候老師就告訴我們，Java是跨平臺的，一次編寫到處運行。

那Java是怎么做到跨平臺的？繼續(xù)看下圖：

通過此圖大家就不難發(fā)現(xiàn)，我們編譯的App.class文件可以在Windows操作系統(tǒng)運行也可以在Linux系統(tǒng)運行，但是兩個系統(tǒng)底層的操作指令是不一樣的，為了屏蔽底層指令的細節(jié)，起到一個跨平臺的作用，JVM功不可沒，我們常說Java是跨平臺還不如說是Jvm跨平臺（JRE運行時跨平臺）。那Jvm虛擬機是怎么跨平臺的？

JVM底層原理

JVM底層由三個系統(tǒng)構(gòu)成分別是：類加載、運行時數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎。

我們今天重點講解JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)（棧），其他兩塊可以關(guān)注我之前和后續(xù)文章。

我們App.class文件通過類加載子系統(tǒng)從硬盤中讀取文件加載到內(nèi)存中（運行時數(shù)據(jù)區(qū)）。

加載完成之后怎么處理了？（打個比喻 人吃飯 》吃到肚子里》各各器官負責自己工作吸收）

Stack棧

先講一下其中的一塊內(nèi)存區(qū)域虛擬機棧，大家都知道棧是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也是線程獨有的區(qū)域，也就是每一個線程都會有自己獨立的棧區(qū)域。我們運行App.java輸出300就靠線程執(zhí)行得來的結(jié)果。是哪個線程執(zhí)行的？獲取線程快照：“main線程”

?！窋?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》存儲內(nèi)容》先進后出FILO

大家都知道每個方法都有自己的局部變量，比如上圖中main方法中的result，add方法中的a b c，那么java虛擬機為了區(qū)分不同方法中局部變量作用域范圍的內(nèi)存區(qū)域，每個方法在運行的時候都會分配一塊獨立的棧幀內(nèi)存區(qū)域，我們試著按上圖中的程序來簡單畫一下代碼執(zhí)行的內(nèi)存活動。

執(zhí)行main方法中的第一行代碼是，棧中會分配main()方法的棧幀，并存儲math局部變量,，接著執(zhí)行add()方法，那么棧又會分配add()的棧幀區(qū)域。

這里的棧存儲數(shù)據(jù)的方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中學習的棧是一樣的，先進后出。當add()方法執(zhí)行完之后，就會出棧被釋放，也就符合先進后出的特點，后調(diào)用的方法先出棧。

棧幀

棧幀內(nèi)部“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”主要由這幾個部分組成：局部變量表、操作數(shù)棧、方法出口等信息。

說了半天，棧幀到底干嘛用的呀？別急講這個就會涉及到更底層的原理–字節(jié)碼。我們先看下我們上面代碼的字節(jié)碼文件。

APP.class文件看著像亂碼，其實每個都是有對應(yīng)的含義的，oracle官方是有專門的jvm字節(jié)碼指令手冊來查詢每組指令對應(yīng)的含義的。那我們研究的，當然不是這個。

jdk有自帶一個javap的命令，可以將上述class文件生成一種更可讀的字節(jié)碼文件。

Compiled from "App.java"

public com.App {

public com.App();

Code:

0: aload_0

1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V

4: aload_0

5: new #2 // class java/lang/Object

8: dup

9: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V

12: putfield #3 // Field object:Ljava/lang/Object;

15: return

public int add();

Code:

0: iconst_1

1: istore_1

2: iconst_2

3: istore_2

4: iload_1

5: iload_2

6: iadd

7: bipush 100

9: imul

10: istore_3

11: iload_3

12: ireturn

public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.InterruptedException;

Code:

0: new #4 // class com/App

3: dup

4: invokespecial #5 // Method "":()V

7: astore_1

8: aload_1

9: invokevirtual #6 // Method add:()I

12: istore_2

13: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

16: iload_2

17: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V

20: return

}

此時的jvm指令碼就清晰很多了，大體結(jié)構(gòu)是可以看懂的，類、靜態(tài)變量、構(gòu)造方法、add()方法、main()方法。

其中方法中的指令還是有點懵，我們舉add()方法來看一下：

Code:

0: iconst_1

1: istore_1

2: iconst_2

3: istore_2

4: iload_1

5: iload_2

6: iadd

7: bipush 100

9: imul

10: istore_3

11: iload_3

12: iretu

這幾行代碼就是對應(yīng)的我們代碼中add()方法中的四行代碼。大家都知道越底層的代碼，代碼實現(xiàn)的行數(shù)越多，因為他會包含一些java代碼在運行時底層隱藏的一些細節(jié)原理。

那么一樣的，這個jvm指令官方也是有手冊可以查閱的，網(wǎng)上也有很多翻譯版本，大家如果想了解可自行百度。

執(zhí)行流程

設(shè)計代碼中的部分指令含義：

第一步：壓棧

將int類型常量1壓入操作數(shù)棧

0: iconst_1

就是將1壓入操作數(shù)棧

更正：執(zhí)行流程過程中灰色背景“操作數(shù)?！睉?yīng)改為“局部變量表”（?。。。。。。。。。。?/p>

第二步：存儲

將int類型值存入局部變量1

1: istore_1

局部變量1，在我們代碼中也就是第一個局部變量a，先給a在局部變量表中分配內(nèi)存，然后將int類型的值，也就是目前唯一的一個1存入局部變量a

第三步：賦值

這兩行代碼就和前兩行類似了。

2: iconst_2

3: istore_2

第四步：裝載

從局部變量2中裝載int類型值

4: iload_1

5: iload_2

這兩個代碼是將局部變量1和2，也就是a和b的值裝載到操作數(shù)棧中

第五步：加法

執(zhí)行int類型的加法

6: iadd

iadd指令一執(zhí)行，會將操作數(shù)棧中的1和2依次從棧底彈出并相加，然后把運算結(jié)果3在壓入操作數(shù)棧底。

第六步：壓棧

將一個8位帶符號整數(shù)壓入棧

7: bipush 100

這個指令就是將100壓入棧

第七步：乘法

執(zhí)行int類型的乘法

9: imul

這里就類似上面的加法了，將3和100彈出棧，把結(jié)果300壓入棧

第八步：壓棧

將將int類型值存入局部變量3

10: istore_3

這里大家就不陌生了吧，和第二步第三步是一樣的，將300存入局部變量3，也就是c

第九步：裝載

從局部變量3中裝載int類型值

11: iload_3

從局表變量3加載到操作數(shù)棧

第十步：返回

返回int類型值

12: ireturn

我們add方法是被main方法中調(diào)用的，所以通過方法出口返回到mian方法中result變量存儲方法出口說白了不就是方法執(zhí)行完了之后要出到哪里，那么我們知道上面add()方法執(zhí)行完之后應(yīng)該回到main()方法第三行那么當main()方法調(diào)用add()的時候，add()棧幀中的方法出口就存儲了當前要回到的位置，那么當add()方法執(zhí)行完之后，會根據(jù)方法出口中存儲的相關(guān)信息回到main()方法的相應(yīng)位置。看我圖中的紅線

棧堆關(guān)系

main方法中除了result變量還有一個app變量，app變量指向的是一個對象。那對象是怎么存儲的？這兒要在說下局表變量表結(jié)構(gòu)：基本類型和引用類型（Java叫引用C C++叫指針）

關(guān)系就是：

通過引用在棧中的app變量引用堆中的App對象

總結(jié)

講到這兒相信大家對JVM棧執(zhí)行原理是不是熟悉了？如果覺得不錯歡迎點贊評論。