JVM的运行原理以及JDK 7增加的新特性（一）
虚拟机（Virtual Machine)
JRE是由Java API和JVM组成的。JVM的主要作用是通过Class Loader来加载Java程序，并且按照Java API来执行加载的程序。
虚拟机是通过软件的方式来模拟实现的机器（比如说计算机），它可以像物理机一样运行程序。设计虚拟机的初衷是让Java能够通过它来实现WORA(Write Once Run Anywhere 一次编译，到处运行），尽管这个目标现在已经被大多数人忽略了。因此，JVM可以在不修改Java代码的情况下，在所有的硬件环境上运行Java字节码。
Java虚拟机的特点如下：
- 基于栈的虚拟机：Intel x86和ARM这两种最常见的计算机体系的机构都是基于寄存器的。不同的是，JVM是基于栈的。
- 符号引用：除了基本类型以外的数据（类和接口）都是通过符号来引用，而不是通过显式地使用内存地址来引用。
- 垃圾回收机制：类的实例都是通过用户代码进行创建，并且自动被垃圾回收机制进行回收。
- 通过对基本类型的清晰定义来保证平台独立性：传统的编程语言，例如C/C++，int类型的大小取决于不同的平台。JVM通过对基本类型的清晰定义来保证它的兼容性以及平台独立性。
- 网络字节码顺序：Java class文件用网络字节码顺序来进行存储:为了保证和小端的Intel x86架构以及大端的RISC系列的架构保持无关性，JVM使用用于网络传输的网络字节顺序，也就是大端。
虽然是Sun公司开发了Java，但是所有的开发商都可以开发并且提供遵循Java虚拟机规范的JVM。正是由于这个原因，使得Oracle HotSpot和IBM JVM等不同的JVM能够并存。Google的Android系统里的Dalvik VM也是一种JVM，虽然它并不遵循Java虚拟机规范。和基于栈的Java虚拟机不同，Dalvik VM是基于寄存器的架构，因此它的Java字节码也被转化成基于寄存器的指令集。
Java字节码（Java bytecode)
为了保证WORA，JVM使用Java字节码这种介于Java和机器语言之间的中间语言。字节码是部署Java代码的最小单位。
在解释Java字节码之前，我们先通过实例来简单了解它。这个案例是一个在开发环境出现的真实案例的总结。
现象
一个一直运行正常的应用突然无法运行了。在类库被更新之后，返回下面的错误。
Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodError: com.nhn.user.UserAdmin.addUser(Ljava/lang/String;)V at com.nhn.service.UserService.add(UserService.java:14) at com.nhn.service.UserService.main(UserService.java:19)// UserService.java…public void add(String userName) { admin.addUser(userName);}// UserAdmin.java - Updated library source code…public User addUser(String userName) { User user = new User(userName); User prevUser = userMap.put(userName, user); return prevUser;}// UserAdmin.java - Original library source code…public void addUser(String userName) { User user = new User(userName); userMap.put(userName, user);}简而言之，之前没有返回值的addUser()被改修改成返回一个User类的实例的方法。不过，应用的代码没有做任何修改，因为它没有使用addUser()的返回值。
初一看，com.nhn.user.UserAdmin.addUser()方法似乎仍然存在，如果存在的话，那么怎么还会出现NoSuchMethodError的错误呢？
原因
上面问题的原因是在于应用的代码没有用新的类库来进行编译。换句话来说，应用代码似乎是调了正确的方法，只是没有使用它的返回值而已。不管怎样，编译后的class文件表明了这个方法是有返回值的。你可以从下面的错误信息里看到答案。
java.lang.NoSuchMethodError: com.nhn.user.UserAdmin.addUser(Ljava/lang/String;)V
NoSuchMethodError出现的原因是“com.nhn.user.UserAdmin.addUser(Ljava/lang/String;)V”方法找不到。注意一下”Ljava/lang/String；”和最后面的“V”。在Java字节码的表达式里，”L<classname>;”表示的是类的实例。这里表示addUser()方法有一个java/lang/String的对象作为参数。在这个类库里，参数没有被改变，所以它是正常的。最后面的“V”表示这个方法的返回值。在Java字节码的表达式里，”V”表示没有返回值（Void）。综上所述，上面的错误信息是表示有一个java.lang.String类型的参数，并且没有返回值的com.nhn.user.UserAdmin.addUser方法没有找到。
因为应用是用之前的类库编译的，所以返回值为空的方法被调用了。但是在修改后的类库里，返回值为空的方法不存在，并且添加了一个返回值为“Lcom/nhn/user/User”的方法。因此，就出现了NoSuchMethodError。
注：
这个错误出现的原因是因为开发者没有用新的类库来重新编译应用。不过，出现这种问题的大部分责任在于类库的提供者。这个public的方法本来没有返回值的，但是后来却被修改成返回User类的实例。很明显，方法的签名被修改了，这也表明了这个类库的后向兼容性被破坏了。因此，这个类库的提供者应该告知使用者这个方法已经被改变了。
我们再回到Java字节码上来。Java字节码是JVM很重要的部分。JVM是模拟执行Java字节码的一个模拟器。Java编译器不会直接把高级语言（例如C/C++）编写的代码直接转换成机器语言（CPU指令）；它会把开发者可以理解的Java语言转换成JVM能够理解的Java字节码。因为Java字节码本身是平台无关的，所以它可以在任何安装了JVM（确切地说，是相匹配的JRE）的硬件上执行，即使是在CPU和OS都不相同的平台上（在Windows PC上开发和编译的字节码可以不做任何修改就直接运行在Linux机器上）。编译后的代码的大小和源代码大小基本一致，这样就可以很容易地通过网络来传输和执行编译后的代码。
Java class文件是一种人很难去理解的二进文件。为了便于理解它，JVM提供者提供了javap，反汇编器。使用javap产生的结果是Java汇编语言。在上面的例子中，下面的Java汇编代码是通过javap -c对UserServiceadd()方法进行反汇编得到的。
public void add(java.lang.String); Code: 0: aload_0 1: getfield #15; //Field admin:Lcom/nhn/user/UserAdmin; 4: aload_1 5: invokevirtual #23; //Method com/nhn/user/UserAdmin.addUser:(Ljava/lang/String;)V 8: returnnvokeinterface:调用一个接口方法在这段Java汇编代码中，addUser()方法是在第四行的“5:invokevitual#23″进行调用的。这表示对应索引为23的方法会被调用。索引为23的方法的名称已经被javap给注解在旁边了。invokevirtual是Java字节码里调用方法的最基本的操作码。在Java字节码里，有四种操作码可以用来调用一个方法，分别是：invokeinterface，invokespecial，invokestatic以及invokevirtual。操作码的作用分别如下：
- invokespecial: 调用一个初始化方法，私有方法或者父类的方法
- invokestatic:调用静态方法
- invokevirtual:调用实例方法
Java字节码的指令集由操作码和操作数组成。类似invokevirtual这样的操作数需要2个字节的操作数。
用更新的类库来编译上面的应用代码，然后反编译它，将会得到下面的结果。
public void add(java.lang.String); Code: 0: aload_0 1: getfield #15; //Field admin:Lcom/nhn/user/UserAdmin; 4: aload_1 5: invokevirtual #23; //Method com/nhn/user/UserAdmin.addUser:(Ljava/lang/String;)Lcom/nhn/user/User; 8: pop 9: return在上面的反汇编代码里，代码前面的数字代码什么呢？
它表示的是字节数。大概这就是为什么运行在JVM上面的代码成为Java“字节”码的原因。简而言之，Java字节码指令的操作码，例如aload_0，getfield和invokevirtual等，都是用一个字节的数字来表示的（aload_0=0x2a,getfield=0xb4,invokevirtual=0xb6)。由此可知Java字节码指令的操作码最多有256个。
aload_0和aload_1这样的指令不需要任何操作数。因此，aload_0指令的下一个字节是下一个指令的操作码。不过，getfield和invokevirtual指令需要2字节的操作数。因此，getfiled的下一条指令是跳过两个字节，写在第四个字节的位置上的。十六进制编译器里查看字节码的结果如下所示。
|
1
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2a b4 00 0f 2b b6 00 17 57 b1 |
表一：Java字节码中的类型表达式在Java字节码里，类的实例用字母“L;”表示，void 用字母“V”表示。通过这种方式，其他的类型也有对应的表达式。下面的表格对此作了总结。
| Java Bytecode | Type | Description |
| B | byte | signed byte |
| C | char | Unicode character |
| D | double | double-precision floating-point value |
| F | float | single-precision floating-point value |
| I | int | integer |
| J | long | long integer |
| L<classname> | reference | an instance of class <classname> |
| S | short | signed short |
| Z | boolean | true or false |
| [ | reference | one array dimension |
下面的表格给出了字节码表达式的几个实例。
表二：Java字节码表达式范例
| Java Code | Java Bytecode Expression |
| double d[ ][ ][ ]; | [[[D |
| Object mymethod(int I, double d, Thread t) | Object mymethod(int I, double d, Thread t) |
想了解更多细节的话，参考《The java Virtual Machine Specification,第二版》中的“4.3 Descriptors"。想了解更多的Java字节码的指令的话，参考《The Java Virtual Machined Instruction Set》的“6.The Java Virtual Machine Instruction Set"
Class文件格式
在讲解Java class文件格式之前，我们先看看一个在Java Web应用中经常出现的问题。
现象
当我们编写完jsp代码，并且在Tomcat运行时，Jsp代码没有正常运行，而是出现了下面的错误。
Servlet.service() for servlet jsp threw exception org.apache.jasper.JasperException: Unable to compile class for JSP Generated servlet error:The code of method _jspService(HttpServletRequest, HttpServletResponse) is exceeding the 65535 bytes limit"原因
在不同的Web服务器上，上面的错误信息可能会有点不同，不过有有一点肯定是相同的，它出现的原因是65535字节的限制。这个65535字节的限制是JVM规范里的限制，它规定了一个方法的大小不能超过65535字节。
下面我会更加详细地讲解这个65535字节限制的意义以及它出现的原因。
Java字节码里的分支和跳转指令分别是”goto"和"jsr"。
goto [branchbyte1] [branchbyte2]jsr [branchbyte1] [branchbyte2]这两个指令都接收一个2字节的有符号的分支跳转偏移量做为操作数，因此偏移量最大只能达到65535。不过，为了支持更多的跳转，Java字节码提供了"goto_w"和"jsr_w"这两个可以接收4字节分支偏移的指令。goto_w [branchbyte1] [branchbyte2] [branchbyte3] [branchbyte4]jsr_w [branchbyte1] [branchbyte2] [branchbyte3] [branchbyte4]有了这两个指令，索引超过65535的分支也是可用的。因此，Java方法的65535字节的限制就可以解除了。不过，由于Java class文件的更多的其他的限制，使得Java方法还是不能超过65535字节。
为了展示其他的限制，我会简单讲解一下class 文件的格式。
Java class文件的大致结构如下：
ClassFile { u4 magic; u2 minor_version; u2 major_version; u2 constant_pool_count; cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; u2 access_flags; u2 this_class; u2 super_class; u2 interfaces_count; u2 interfaces[interfaces_count]; u2 fields_count; field_info fields[fields_count]; u2 methods_count; method_info methods[methods_count]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count];}上面的内容是来自《The Java Virtual Machine Specification,Second Edition》的4.1节“The ClassFile Structure"。
之前反汇编的UserService.class文件反汇编的结果的前16个字节在十六进制编辑器中如下所示：
ca fe ba be 00 00 00 32 00 28 07 00 02 01 00 1b
通过这些数值，我们可以来看看class文件的格式。
- magic：class文件最开始的四个字节是魔数。它的值是用来标识Java class文件的。从上面的内容里可以看出，魔数 的值是0xCAFEBABE。简而言之，只有一个文件的起始4字节是0xCAFEBABE的时候，它才会被当作Java class文件来处理。
- minor_version,major_version:接下来的四个字节表示的是class文件的版本。UserService.class文件里的是0x00000032，所以这个class文件的版本是50.0。JDK 1.6编译的class文件的版本是50.0，JDK 1.5编译出来的class文件的版本是49.0。JVM必须对低版本的class文件保持后向兼容性，也就是低版本的class文件可以运行在高版本的JVM上。不过，反过来就不行了，当一个高版本的class文件运行在低版本的JVM上时，会出现java.lang.UnsupportedClassVersionError的错误。
- constant_pool_count,constant_pool[]:在版本号之后，存放的是类的常量池。这里保存的信息将会放入运行时常量池(Runtime Constant Pool)中去，这个后面会讲解的。在加载一个class文件的时候，JVM会把常量池里的信息存放在方法区的运行时常量区里。UserService.class文件里的constant_pool_count的值是0x0028，这表示常量池里有39(40-1)个常量。
- access_flags:这是表示一个类的描述符的标志；换句话说，它表示一个类是public,final还是abstract以及是不是接口的标志。
- fields_count,fields[]:当前类的成员变量的数量以及成员变量的信息。成员变量的信息包含变量名，类型，修饰符以及变量在constant_pool里的索引。
- methods_count,methods[]:当前类的方法数量以及方法的信息。方法的信息包含方法名，参数的数量和类型，返回值的类型，修饰符，以及方法在constant_pool里的索引，方法的可执行代码以及异常信息。
- attributes_count,attributes[]:attribution_info结构包含不同种类的属性。field_info和method_info里都包含了attribute_info结构。
javap简要地给出了class文件的一个可读形式。当你用"java -verbose"命令来分析UserService.class时，会输出如下的内容：
Compiled from "UserService.java"public class com.nhn.service.UserService extends java.lang.Object SourceFile: "UserService.java" minor version: 0 major version: 50 Constant pool:const #1 = class #2; // com/nhn/service/UserServiceconst #2 = Asciz com/nhn/service/UserService;const #3 = class #4; // java/lang/Objectconst #4 = Asciz java/lang/Object;const #5 = Asciz admin;const #6 = Asciz Lcom/nhn/user/UserAdmin;;// … omitted - constant pool continued …{// … omitted - method information …public void add(java.lang.String); Code: Stack=2, Locals=2, Args_size=2 0: aload_0 1: getfield #15; //Field admin:Lcom/nhn/user/UserAdmin; 4: aload_1 5: invokevirtual #23; //Method com/nhn/user/UserAdmin.addUser:(Ljava/lang/String;)Lcom/nhn/user/User; 8: pop 9: return LineNumberTable: line 14: 0 line 15: 9 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 10 0 this Lcom/nhn/service/UserService; 0 10 1 userName Ljava/lang/String; // … Omitted - Other method information …}javap输出的内容太长，我这里只是提出了整个输出的一部分。整个的输出展示了constant_pool里的不同信息，以及方法的内容。
关于方法的65565字节大小的限制是和method_info struct相关的。method_info结构包含Code,LineNumberTable,以及LocalViriable attribute几个属性，这个在“javap -verbose"的输出里可以看到。Code属性里的LineNumberTable，LocalVariableTable以及exception_table的长度都是用一个固定的2字节来表示的。因此，方法的大小是不能超过LineNumberTable，LocalVariableTable以及exception_table的长度的，它们都是65535字节。
许多人都在抱怨方法的大小限制，而且在JVM规范里还说名了”这个长度以后有可能会是可扩展的“。不过，到现在为止，还没有为这个限制做出任何动作。从JVM规范里的把class文件里的内容直接拷贝到方法区这个特点来看，要想在保持后向兼容性的同时来扩展方法区的大小是非常困难的。
如果因为Java编译器的错误而导致class文件的错误，会怎么样呢？或者，因为网络传输的错误导致拷贝的class文件的损坏呢？
为了预防这种场景，Java的类装载器通过一个严格而且慎密的过程来校验class文件。在JVM规范里详细地讲解了这方面的内容。
注意
我们怎样能够判断JVM正确地执行了class文件校验的所有过程呢？我们怎么来判断不同提供商的不同JVM实现是符合JVM规范的呢？为了能够验证以上两点，Oracle提供了一个测试工具TCK(Technology Compatibility Kit)。这个TCK工具通过执行成千上万的测试用例来验证一个JVM是否符合规范，这些测试里面包含了各种非法的class文件。只有通过了TCK的测试的JVM才能称作JVM。
和TCK相似，有一个组织JCP(Java Community Process;http://jcp.org)负责Java规范以及新的Java技术规范。对于JCP而言，如果要完成一项Java规范请求(Java Specification Request, JSR)的话，需要具备规范文档，可参考的实现以及通过TCK测试。任何人如果想使用一项申请JSR的新技术的话，他要么使用RI提供许可的实现，要么自己实现一个并且保证通过TCK的测试。
