① 簡述java程序從編寫到運行的基本步驟，並說明Java的基本工作原理
Java編譯原理：
Java 虛擬機(JVM)是可運行Java 代碼的假想計算機。只要根據JVM規格描述將解釋器移植到特定的計算機上，就能保證經過編譯的任何Java代碼能夠在該系統上運行。
一.Java源文件的編譯、下載 、解釋和執行
Java應用程序的開發周期包括編譯、下載 、解釋和執行幾個部分。Java編譯程序將Java源程序翻譯為JVM可執行代碼?位元組碼。這一編譯過程同C/C++ 的編譯有些不同。當C編譯器編譯生成一個對象的代碼時，該代碼是為在某一特定硬體平台運行而產生的。因此，在編譯過程中，編譯程序通過查表將所有對符號的引用轉換為特定的內存偏移量，以保證程序運行。Java編譯器卻不將對變數和方法的引用編譯為數值引用，也不確定程序執行過程中的內存布局，而是將這些符號引用信息保留在位元組碼中，由解釋器在運行過程中創立內存布局，然後再通過查表來確定一個方法所在的地址。這樣就有效的保證了Java的可移植性和安全 性。
運行JVM位元組碼的工作是由解釋器來完成的。解釋執行過程分三部進行：代碼的裝入、代碼的校驗和代碼的執行。裝入代碼的工作由"類裝載器"（class loader）完成。類裝載器負責裝入運行一個程序需要的所有代碼，這也包括程序代碼中的類所繼承的類和被其調用的類。當類裝載器裝入一個類時，該類被放在自己的名字空間中。除了通過符號引用自己名字空間以外的類，類之間沒有其他辦法可以影響其他類。在本台計算機上的所有類都在同一地址空間內，而所有從外部引進的類，都有一個自己獨立的名字空間。這使得本地類通過共享相同的名字空間獲得較高的運行效率，同時又保證它們與從外部引進的類不會相互影響。當裝入了運行程序需要的所有類後，解釋器便可確定整個可執行程序的內存布局。解釋器為符號引用同特定的地址空間建立對應關系及查詢表。通過在這一階段確定代碼的內存布局，Java很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問題，同時也防止了代碼對地址的非法訪問。
隨後，被裝入的代碼由位元組碼校驗器進行檢查。校驗器可發現操作數棧溢出，非法數據類型轉化等多種錯誤。通過校驗後，代碼便開始執行了。
Java位元組碼的執行有兩種方式：
1.即時編譯方式：解釋器先將位元組碼編譯成機器碼，然後再執行該機器碼。
2.解釋執行方式：解釋器通過每次解釋並執行一小段代碼來完成Java位元組碼程 序的所有操作。
通常採用的是第二種方法。由於JVM規格描述具有足夠的靈活性，這使得將位元組碼翻譯為機器代碼的工作
具有較高的效率。對於那些對運行速度要求較高的應用程序，解釋器可將Java位元組碼即時編譯為機器碼，從而很好地保證了Java代碼的可移植性和高性能。
② java虛擬機工作原理圖解
Java虛擬機
一、什麼是Java虛擬機
Java虛擬機是一個想像中的機器,在實際的計算機上通過軟體模擬來實現。Java虛擬機有自己想像中的硬體,如處理器、堆棧、寄存器等,還具有相應的指令系統。
1.為什麼要使用Java虛擬機
Java語言的一個非常重要的特點就是與平台的無關性。而使用Java虛擬機是實現這一特點的關鍵。一般的高級語言如果要在不同的平台上運行,至少需要編譯成不同的目標代碼。而引入Java語言虛擬機後,Java語言在不同平台上運行時不需要重新編譯。Java語言使用模式Java虛擬機屏蔽了與具體平台相關的信息,使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼(位元組碼),就可以在多種平台上不加修改地運行。Java虛擬機在執行位元組碼時,把位元組碼解釋成具體平台上的機器指令執行。
2.誰需要了解Java虛擬機
Java虛擬機是Java語言底層實現的基礎,對Java語言感興趣的人都應對Java虛擬機有個大概的了解。這有助於理解Java語言的一些性質,也有助於使用Java語言。對於要在特定平台上實現Java虛擬機的軟體人員,Java語言的編譯器作者以及要用硬體晶元實現Java虛擬機的人來說,則必須深刻理解Java虛擬機的規范。另外,如果你想擴展Java語言,或是把其它語言編譯成Java語言的位元組碼,你也需要深入地了解Java虛擬機。
3.Java虛擬機支持的數據類型
Java虛擬機支持Java語言的基本數據類型如下:
byte://1位元組有符號整數的補碼
short://2位元組有符號整數的補碼
int://4位元組有符號整數的補碼
long://8位元組有符號整數的補碼
float://4位元組IEEE754單精度浮點數
double://8位元組IEEE754雙精度浮點數
char://2位元組無符號Unicode字元
幾乎所有的Java類型檢查都是在編譯時完成的。上面列出的原始數據類型的數據在Java執行時不需要用硬體標記。*作這些原始數據類型數據的位元組碼(指令)本身就已經指出了*作數的數據類型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把兩個數相加,其*作數類型別是int、long、 float和double。虛擬機沒有給boolean(布爾)類型設置單獨的指令。boolean型的數據是由integer指令,包括integer 返回來處理的。boolean型的數組則是用byte數組來處理的。虛擬機使用IEEE754格式的浮點數。不支持IEEE格式的較舊的計算機,在運行 Java數值計算程序時,可能會非常慢。
虛擬機支持的其它數據類型包括:
object//對一個Javaobject(對象)的4位元組引用
returnAddress//4位元組,用於jsr/ret/jsr-w/ret-w指令
注:Java數組被當作object處理。
虛擬機的規范對於object內部的結構沒有任何特殊的要求。在Sun公司的實現中,對object的引用是一個句柄,其中包含一對指針:一個指針指向該object的方法表,另一個指向該object的數據。用Java虛擬機的位元組碼表示的程序應該遵守類型規定。Java虛擬機的實現應拒絕執行違反了類型規定的位元組碼程序。Java虛擬機由於位元組碼定義的限制似乎只能運行於32位地址空間的機器上。但是可以創建一個Java虛擬機,它自動地把位元組碼轉換成64位的形式。從Java虛擬機支持的數據類型可以看出,Java對數據類型的內部格式進行了嚴格規定,這樣使得各種Java虛擬機的實現對數據的解釋是相同的,從而保證了Java的與平台無關性和可
移植性。
二、Java虛擬機體系結構
Java虛擬機由五個部分組成:一組指令集、一組寄存器、一個棧、一個無用單元收集堆(Garbage-collected-heap)、一個方法區域。這五部分是Java虛擬機的邏輯成份,不依賴任何實現技術或組織方式,但它們的功能必須在真實機器上以某種方式實現。
1.Java指令集
Java虛擬機支持大約248個位元組碼。每個位元組碼執行一種基本的CPU運算,例如,把一個整數加到寄存器,子程序轉移等。Java指令集相當於Java程序的匯編語言。
Java指令集中的指令包含一個單位元組的*作符,用於指定要執行的*作,還有0個或多個*作數,提供*作所需的參數或數據。許多指令沒有*作數,僅由一個單位元組的*作符構成。 虛擬機的內層循環的執行過程如下:
do{
取一個*作符位元組;
根據*作符的值執行一個動作;
}while(程序未結束)
由於指令系統的簡單性,使得虛擬機執行的過程十分簡單,從而有利於提高執行的效率。指令中*作數的數量和大小是由*作符決定的。如果*作數比一個位元組大,那麼它存儲的順序是高位位元組優先。例如,一個16位的參數存放時佔用兩個位元組,其值為:
第一個位元組*256+第二個位元組位元組碼指令流一般只是位元組對齊的。指令tableswitch和lookup是例外,在這兩條指令內部要求強制的4位元組邊界對齊。
2.寄存器
Java虛擬機的寄存器用於保存機器的運行狀態,與微處理器中的某些專用寄存器類似。
Java虛擬機的寄存器有四種:
pc:Java程序計數器。
optop:指向*作數棧頂端的指針。
frame:指向當前執行方法的執行環境的指針。
vars:指向當前執行方法的局部變數區第一個變數的指針。
Java虛擬機
Java虛擬機是棧式的,它不定義或使用寄存器來傳遞或接受參數,其目的是為了保證指令集的簡潔性和實現時的高效性(特別是對於寄存器數目不多的處理器)。
所有寄存器都是32位的。
3.棧
Java虛擬機的棧有三個區域:局部變數區、運行環境區、*作數區。
(1)局部變數區 每個Java方法使用一個固定大小的局部變數集。它們按照與vars寄存器的字偏移量來定址。局部變數都是32位的。長整數和雙精度浮點數占據了兩個局部變數的空間,卻按照第一個局部變數的索引來定址。(例如,一個具有索引n的局部變數,如果是一個雙精度浮點數,那麼它實際占據了索引n和n+1所代表的存儲空間。)虛擬機規范並不要求在局部變數中的64位的值是64位對齊的。虛擬機提供了把局部變數中的值裝載到*作數棧的指令, 也提供了把*作數棧中的值寫入局部變數的指令。
(2)運行環境區 在運行環境中包含的信息用於動態鏈接,正常的方法返回以及異常傳播。
·動態鏈接
運行環境包括對指向當前類和當前方法的解釋器符號表的指針,用於支持方法代碼的動態鏈接。方法的class文件代碼在引用要調用的方法和要訪問的變數時使用符號。動態鏈接把符號形式的方法調用翻譯成實際方法調用,裝載必要的類以解釋還沒有定義的符號,並把變數訪問翻譯成與這些變數運行時的存儲結構相應的偏移地址。動態鏈接方法和變數使得方法中使用的其它類的變化不會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型的返回指令時,調用的方法會得到一個返回值。執行環境在正常返回的情況下用於恢復調用者的寄存器,並把調用者的程序計數器增加一個恰當的數值,以跳過已執行過的方法調用指令,然後在調用者的執行環境中繼續執行下去。
·異常和錯誤傳播
異常情況在Java中被稱作Error(錯誤)或Exception(異常),是Throwable類的子類,在程序中的原因是:①動態鏈接錯,如無法找到所需的class文件。②運行時錯,如對一個空指針的引用
·程序使用了throw語句。
當異常發生時,Java虛擬機採取如下措施:
·檢查與當前方法相聯系的catch子句表。每個catch子句包含其有效指令范圍,能夠處理的異常類型,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,發生的異常類型是其能處理的異常類型的子類型。如果找到了匹配的catch子句,那麼系統轉移到指定的異常處理塊處執行;如果沒有找到異常處理塊,重復尋找匹配的catch子句的過程,直到當前方法的所有嵌套的 catch子句都被檢查過。
·由於虛擬機從第一個匹配的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,因此總可以把某個方法的所有的異常處理器都按序排列到一個表中,對任意可能的程序計數器的值,都可以用線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生的異常情況。
·如果找不到匹配的catch子句,那麼當前方法得到一個"未截獲異常"的結果並返回到當前方法的調用者,好像異常剛剛在其調用者中發生一樣。如果在調用者中仍然沒有找到相應的異常處理塊,那麼這種錯誤傳播將被繼續下去。如果錯誤被傳播到最頂層,那麼系統將調用一個預設的異常處理塊。
(3)*作數棧區 機器指令只從*作數棧中取*作數,對它們進行*作,並把結果返回到棧中。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。*作數棧是32位的。它用於給方法傳遞參數,並從方法接收結果,也用於支持*作的參數,並保存*作的結果。例如,iadd指令將兩個整數相加。相加的兩個整數應該是*作數棧頂的兩個字。這兩個字是由先前的指令壓進堆棧的。這兩個整數將從堆棧彈出、相加,並把結果壓回到*作數棧中。
每個原始數據類型都有專門的指令對它們進行必須的*作。每個*作數在棧中需要一個存儲位置,除了long和double型,它們需要兩個位置。* 作數只能被適用於其類型的*作符所*作。例如,壓入兩個int類型的數,如果把它們當作是一個long類型的數則是非法的。在Sun的虛擬機實現中,這個限制由位元組碼驗證器強制實行。但是,有少數*作(*作符pe和swap),用於對運行時數據區進行*作時是不考慮類型的。
4.無用單元收集堆
Java的堆是一個運行時數據區,類的實例(對象)從中分配空間。Java語言具有無用單元收集能力: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用單元收集演算法,可以根據系統的需求使用各種各樣的演算法。
5.方法區
方法區與傳統語言中的編譯後代碼或是Unix進程中的正文段類似。它保存方法代碼(編譯後的java代碼)和符號表。在當前的Java實現中,方法代碼不包括在無用單元收集堆中,但計劃在將來的版本中實現。每個類文件包含了一個Java類或一個Java界面的編譯後的代碼。可以說類文件是Java 語言的執行代碼文件。為了保證類文件的平台無關性,Java虛擬機規范中對類文件的格式也作了詳細的說明。其具體細節請參考Sun公司的Java虛擬機規范。
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③ 簡述jvm工作原理
Java是一種技術，它由四方面組成：Java編程語言、Java類文件格式、Java虛擬機和Java應用程序介面(Java API)。
運行期環境代表著Java平台，開發人員編寫Java代碼(.java文件)，然後將之編譯成位元組碼(.class文件)，再然後位元組碼被裝入內存，一旦位元組碼進入虛擬機，它就會被解釋器解釋執行，或者是被即時代碼發生器有選擇的轉換成機器碼執行。
Java平台由Java虛擬機和Java應用程序介面搭建，Java語言則是進入這個平台的通道，用Java語言編寫並編譯的程序可以運行在這個平台上。
在Java平台的結構中, 可以看出，Java虛擬機(JVM) 處在核心的位置，是程序與底層操作系統和硬體無關的關鍵。它的下方是移植介面，移植介面由兩部分組成：適配器和Java操作系統, 其中依賴於平台的部分稱為適配器；JVM 通過移植介面在具體的平台和操作系統上實現；在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴展類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上運行而無需考慮底層平台, 就是因為有Java虛擬機(JVM)實現了程序與操作系統的分離，從而實現了Java 的平台無關性。
JVM在它的生存周期中有一個明確的任務，那就是運行Java程序，因此當Java程序啟動的時候，就產生JVM的一個實例；當程序運行結束的時候，該實例也跟著消失了。下面我們從JVM的體系結構和它的運行過程這兩個方面來對它進行比較深入的研究。
1、Java虛擬機的體系結構
·每個JVM都有兩種機制：
①類裝載子系統：裝載具有適合名稱的類或介面
②執行引擎：負責執行包含在已裝載的類或介面中的指令
·每個JVM都包含：
方法區、Java堆、Java棧、本地方法棧、指令計數器及其他隱含寄存器
2、Java代碼編譯和執行的整個過程
也正如前面所說，Java代碼的編譯和執行的整個過程大概是：開發人員編寫Java代碼(.java文件)，然後將之編譯成位元組碼(.class文件)，再然後位元組碼被裝入內存，一旦位元組碼進入虛擬機，它就會被解釋器解釋執行，或者是被即時代碼發生器有選擇的轉換成機器碼執行。
（1）Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來完成，也就是Java代碼到JVM位元組碼（.class文件）的過程。
2）Java位元組碼的執行是由JVM執行引擎來完成
Java代碼編譯和執行的整個過程包含了以下三個重要的機制:
·Java源碼編譯機制
·類載入機制
·類執行機制
（1）Java源碼編譯機制
Java 源碼編譯由以下三個過程組成：
①分析和輸入到符號表
②註解處理
③語義分析和生成class文件
最後生成的class文件由以下部分組成：
①結構信息：包括class文件格式版本號及各部分的數量與大小的信息
②元數據：對應於Java源碼中聲明與常量的信息。包含類/繼承的超類/實現的介面的聲明信息、域與方法聲明信息和常量池
③方法信息：對應Java源碼中語句和表達式對應的信息。包含位元組碼、異常處理器表、求值棧與局部變數區大小、求值棧的類型記錄、調試符號信息
（2）類載入機制 JVM的類載入是通過ClassLoader及其子類來完成的