初识Java虚拟机

1.Java发展历史

• 1990年，在Sun计算机公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team,开始研发一种可控制家用电子产品的新型计算机软件技术，并希望能够研究出一种可以跨平台的系统。起先他们试着在C+的功能基础上做修改，但一直无法克服编译器的问题，所以决定自行开发新的程序语言Oak。这里的Ok已经具备安全性、网络通信、面向对象、垃圾回收、多线程等特性。后来他们发现Oak已经被其他公司注册，于是改名为Java。
• 1995年，Sun正式发布Java和HotJava产品，Java首次公开亮相。
• 1996年1月23日Sun Microsystems发布了JDK1.0。这个版本包括了两部分：运行环境（即RE)和开发环境（即JDK)。在运行环境中包括了核心API、用户界面API、发布技术、Java虚拟机(JVM)几个部分。开发环境包括了编译Java程序的编译器（即javac)。在JDKl.0时代，Java使用一款叫作Classic的虚拟机解释执行Java字节码。
• 1997年2月18日Sum发布了JDK1.1,在该版本中，已经支持AWT、内部类、JDBC、RMI、反射等特性。同年，Sun收购了一家叫作Longview Technologies的公司，从而获得了Hotspot虚拟机。
• 同在1997年，Jim Hugunin创造了Jython,但由于各种原因，Jython的进展相当缓慢，但到现在为止，Jython已经取得了长足的进步，甚至已经可以运行Django框架。
• 1998年，JDK1.2版本发布（从这个版本开始的Java技术都称为Java2)。Java2不仅能兼容智能卡和小型消费类设备，还能兼容大型的服务器系统，它使软件开发商、服务提供商和设备提供商更加容易地抢占市场机遇。这一开发工具极大地简化了编程人员编制企业级Wb应用的工作。同时Sun发布了JSP/Servlet，EJB规范，以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME.这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。此时的Java已经做到解释执行和编译执行混合运行。
• 2000年，JDK1.3发布，Hotspot虚拟机成为Java的默认虚拟机。
• 2002年，JDK1.4发布，古老的Classic虚拟机退出历史舞台。
• 2003年年底，Java平台的Scala正式发布，同年Groovy也加入了Java阵营。
• 2004年，DK1.5发布。同时JDK1.5改名为J2SE5.0。在这个版本中，Java语言做了大量的改进，比如支持了泛型、注解、自动装箱拆箱、枚举类型、可变长参数、增强的foreach循环等。语法上的简化和改进是这一版本的一大特色。
• 2006年，JDK1.6发布。同年，Java开源并建立了OpenJDK。顺理成章，Hotspot虚拟机也成为了OpenJDK中的默认虚拟机。
• 2007年，Java平台迎来了新伙伴Clojure。
• 2008年，Oracle收购了BEA,得到了JRockit虚拟机。
• 2009年，Twitter宣布把后台大部分程序从Ruby迁移到Scala,这是Java平台的又一次大规模应用。
• 20l0年，Oracle收购了Sun,获得最具价值的Hotspot虚拟机。此时，Oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机Hotspot和JRockit,.并计划在未来对它们进行整合。
• 2011年，JDK1.7发布。在JDK1.7中，正式启用了新的垃圾回收器G1,支持了64位系统的压缩指针，以及NO2.O,同时新增的invokedynamic指令也是该版本的一大特色
• 2014年，JDK1.8发布。在JDK1.8中，全新的Lambda表达式是一大亮点，它彻底改变了Java的编程风格和习惯。
• Oracle计划在2016年，发布JDK1.9。届时，最令人期待的功能应该是Java的模块化

2.Java虚拟机的原理和分类

2.1 什么是虚拟机

​ 所谓虚拟机，就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。大名鼎鼎的Visual Box、VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令。无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

​ 通过Java虚拟机可以让Java程序实现跨平台的特性。如下图所示：

2.2 Java虚拟机的种类

• 在Java发展最初，Sum使用的是一款叫作Classic的Java虚拟机之后，在Solaris平台上还曾短暂地使用过Exact VM虚拟机，到现在，最终被大规模部署和应用的是Hotspot虚拟机。
• 除了Sun公司以外，各大公司以及组织都曾积极研发过Java虚拟机，比如BEA的JRockit,目前，Rockit和Hotspot都被收入Oracle旗下，大有整合的趋势。在IBM内部，使用着一款名为J9的虚拟机，广泛用于IBM的各大产品（如果当年IBM成功收购了Sun,那么很可能是J9和Hotspot进行整合了)。
• 此外，Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony,它是开源软件，但受到同样开源的OpenJDK的压制，最终于2011年退役，
• 虽然目前并没有Apache Harmony被大规模商用的案例，但是它的出现对Android的发展起到了极为重要的作用。
• 在嵌入式领域，KVM和CDC/CLDC Hotspot两款虚拟机也粉演着重要的角色，在iOS和Android盛行之前，这两款虚拟机也广泛运用于手机平台。
• 注意：由于目前Hotspot占有绝对的市场地位，

3.Java语言规范——一切看我的

​ Java语言规范和Java虚拟机规范目前都可以在Oracle的官方网站上找到(http://docs.oracle.com/javase/specs/)。下面简要介绍一下Java语言规范。

​ Java语言规范是用来描述Java语言的，它定义了Java语言的语言特性，比如Java的语法词法、支持的数据类型、变量类型、数据类型转换的约定、数组、异常等内容。Java语言规范的目的是告诉开发人员“Java代码应该如何编写”。

​ 每一种开发语言都会定义词法，语法，数据类型相关的规范，Java语言也是。

• 词法的定义
  词法规定了Java语法中每一个单词如何书写才是合乎规范的。比如，词法定义中规定了Java的关键字，如果开发人员使用Java的关键字作为变量名，显然无法正常通过编译。有关词法另一个典型的案例就是数字的表示，比如:0372，0x00_FF_00_FF，2.f，0.0等都是合法的数字。得益于Java语言规范对于词法的定义，现在Java程序可以使用更加丰富的方法来定义数字，无论是在可读性或是在表达能力上，都非常强劲。
• 语法的定义
  语法定义规定了什么样的语句是合乎规范的。以if语句为例，在类似于Basic的语言中，可能会用以下形式定义if语句：

  if Expression then
  Statement
  end if
  

  但是在Java中给出了这样的定义：

  IfThenStatement:
  if Expression Statement
  

• 数据类型的定义
  Java语言规范中还定义了Java的数据类型。Java的数据类型分为原始数据类型和引用数据类型。原始数据类型又分为数字型和布尔型。数字型又有byte、short、int、long、char、foat、double。注意，在这里char被定义为整数型，并且在规范中明确定义：byte、short、int、long分别是8位、16位、32位、64位有符号整数，而char为16位无符号整数，表示UTF-l6的字符。布尔型只有两种取值：true和false。而对于float和double,规范中规定，它们是满足EEE754的32位浮点数和64位浮点数。此外，规范还定义了各类数字的取值范围、初始值，以及能够支持的各种操作。以整数为例，比较运算、数值运算、位运算、自增自减运算等都在规范中有描述。
  除了基本数据类型外，引用数据类型也是Java重要的组成部分，引用数据类型分为3种：类或接口、泛型类型以及数组类型。
• Java语言规范总结
  除上述基本内容外，Jva语言规范还定义了各种不同类型间的转换规则、方法的可见性定义、有关接口的使用、注释等。
  总之，Java语言规范完整定义和描述了Java语言的所有特性，但是这些内容不属于JVM的内容，所以上面简单的介绍了一下。

4.Java虚拟机的规范——一切听我的

​ 虽然Java语言和Java虚拟机有着密切的联系，但两者是完全不同的内容。Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成，像Groovy、Scala等语言生成的Java字节码也可以由Java虚拟机执行。立足于Java虚拟机，可以产生各种各样的跨平台语言。除了语言特性各不相同外，它们可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回收器，以及可靠的即时编译器。

​ 因此，与Java语言不同，Java虚拟机是一个高效的、性能优异的、商用级别的软件运行和开发平台，而这也是我们学习的重点。

​ Java虚拟机规范的主要内容大概有以下几个部分：

• 定义了虚拟机的内部结构。
• 定义了虚拟机执行的字节码类型和功能。
• 定义了Class文件的结构。
• 定义了类的装载、连接和初始。

以后的例题都是以JDK8来讲的，你可以在https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html浏览虚拟机规范全文。这份规范可以说是开发Java虚拟机的指导性文件，如果要实现自定义的Java虚拟机，则需要参考和熟悉这份规范，同时这份规范对于了解现存的流行Java虚拟机（如Hotspot、IBM J9等)，也有十分重要的意义。

5.Java虚拟机中的数字的表示

数字是计算机内最直接、最基础的表现类型。了解数字在计算机内的表示，对于了解整个

计算机系统具有相当重要的作用，数字也是专业计算机从业人员的基本功之一。下面我们主要介绍整数以及浮点数在Java虚拟机中的支持情况。

5.1 整数在Java虚拟机中的表示

​ 在Java虚拟机中，整数有byte、short、int、long四种，分别表示8位、16位、32位、64位有符号整数。整数在计算机中使用补码表示，在Java虚拟机中也不例外。在学习补码之前，必须先理解原码和反码。所谓原码，就是符号位加上数字的二进制表示。以int为例，第1位表示符号位（正数或者负数)，其余31位表示该数字的二进制值。

10的原码为：00000000000000000000000000001010
-10的原码为：10000000000000000000000000001010
#对于原码来说，绝对值相同的正数和负数只有符号位不同。

反码就是在原码的基础上，符号位不变，其余位取反，以-10为例，其反码为：11111111111111111111111111110101

负数的补码就是反码加1，正数的补码就是原码本身。

Java中可以使用位运算符查看整数中每一位的实际值，方法如下：

int a = -10;
for (int i =0 ; i < 32;i++){
    int t = (a&0x80000000>>>i)>>>(31-i);
    System.out.print(t);
}//输出结果是：11111111111111111111111111110101

这段程序的基本思想是：进行32次循环（因为int有32位），每次循环取出int值中的位，第3行0x80000000是一个首位为1、其余位为0的数，通过右移i位，定位到要获取的第ⅰ位，并将除该位外的其他位统一设置为0，而该位不变，最后将该位移至最右，并进行输出。

为什么使用补码作为计算机内的实际存储方式而不是原码呢？

• 可以统一数字0的表示。由于0既非正数，又非负数，使用原码表示时符号位难以确定，把0归入正数或者负数得到的原码编码是不同的。但是使用补码表示时，无论把0归入正数或者负数都会得到相同的结果。
• 使用补码可以简化整数的加减法计算，将减法计算视为加法计算，实现正数和负数加法的统一。现使用8位(byte)整数说明这个问题。

  -- 计算-6+5的过程如下。
  -6补码：11111010
  5补码：00000101
  直接相加得：11111111
  -- 通过计算可知，11111111表示-1。
  -- 计算4+6的过程如下。
  4的补码：00000100
  6的补码：00000110
  直接相加得：00001010
  -- 通过计算可知，00001010表示10（十进制）。
  

  根据以上例子可以看到，使用补码表示时，只需要将补码简单地相加，即可得到算术加减法的正确结果，而无须区别正数或者负数。

5.2 浮点数在Java虚拟机中的表示

​ 在Java虚拟机中，浮点数有float和double两种，分别是32位和64位浮点数。浮点数在虚拟机中的表示比整数略显复杂。目前，使用最为广泛的是由IEEE754定义的浮点数格式。目前Java虚拟机中对于浮点数的处理参考IEEE754的规范。下面将以float为例，简要介绍浮点数的表示方法。

​ 在IEEE754的定义中，一个浮点数由3部分组成，分别是：符号位、指数位和尾数位。以32位flot为例，符号位占1位，表示正负数，指数位占8位，尾数位占剩余的23位,如下图：

浮点数取值公式是：

• 其中，sflag表示符号，当s为0时，sf1ag为1，当s为1时，sflag为-1。
• m为尾数值，实际占用空间为23位，但是根据e的取值，有24位精度。当e全为0时，尾数位附加为0，否则，尾数位附加为1。
• e为指数位，用8位表示。

举例说明，-5的表示为：1 1000 0001 010 0000 00000000 00000000

• 尾数位原来是010 0000 00000000 00000000,但是指数位1000 0001不全为0，所以尾数位（从左边）附加1,（不能当做算法的加1，当做字符串的拼接那样子理解好点）变成这样子：

1 + 010 0000 00000000 00000000 = 1010 0000 00000000 00000000

套公式计算：

计算过程：

• m的计算复杂点，尾数位表示2的指数次方的和。计算过程
  
• 所以：