JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用於計算設備的規範，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。
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Java虛擬機禁止了與具體平台相關的信息，使得Java語言編譯程式只需生成在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。這就是Java的能夠“一次編譯，到處運行”的原因。
基本介紹
- 中文名：Java虛擬機
- 外文名：Java Virtual Machine
- 簡稱：JVM
- 套用學科：計算機軟體
- 軟體語言：Java
支持類型,基本數據類型,其它數據類型,規格,原理,指令系統,暫存器,棧結構,碎片回收,存儲區,運行數據,體系結構,運行過程,
支持類型
基本數據類型
byte://1位元組有符號整數的補碼
JVM
JVMshort://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
boolean:boolean數據類型表示一位的信息
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。操作這些原始數據類型數據的位元組碼（指令）本身就已經指出了運算元的數據類型，例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把兩個數相加，其運算元類型分別是int、long、float和double。虛擬機沒有給boolean(布爾）類型設定單獨的指令。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數值計算程式時，可能會非常慢。
其它數據類型
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
註：Java數組被當做object處理。虛擬機的規範對於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式應該遵守類型規定。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式。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。
JVM
JVM規格
JVM定義了控制Java代碼解釋執行和具體實現的五種規格，它們是：
原理
JVM是java的核心和基礎，在java編譯器和os平台之間的虛擬處理器。它是一種基於下層的作業系統和硬體平台並利用軟體方法來實現的抽象的計算機，可以在上面執行java的位元組碼程式。
JVM運行原理
JVM運行原理java編譯器只需面向JVM，生成JVM能理解的代碼或位元組碼檔案。Java源檔案經編譯器，編譯成位元組碼程式，通過JVM將每一條指令翻譯成不同平台機器碼，通過特定平台運行。
JVM執行程式的過程 ：
I.載入.class檔案
II.管理並分配記憶體
III.執行垃圾收集
JRE（java運行時環境）包含JVM的java程式的運行環境
JVM是Java程式運行的容器,但是他同時也是作業系統的一個進程,因此他也有他自己的運行的生命周期,也有自己的代碼和數據空間。
JVM在整個jdk中處於最底層,負責與作業系統的互動,用來禁止作業系統環境,提供一個完整的Java運行環境,因此也叫虛擬計算機.作業系統裝入JVM是通過jdk中Java.exe來完成,通過下面4步來完成JVM環境。
1.創建JVM裝載環境和配置
2.裝載JVM.dll
3.初始化JVM.dll並掛接到JNIENV(JNI調用接口)實例
4.調用JNIEnv實例裝載並處理class類。
指令系統
JVM指令系統同其他計算機的指令系統極其相似。Java指令也是由操作碼和運算元兩部分組成。操作碼為8位二進制數，運算元緊隨在操作碼的後面，其長度根據需要而不同。操作碼用於指定一條指令操作的性質（在這裡我們採用彙編符號的形式進行說明），如iload表示從存儲器中裝入一個整數，anewarray表示為一個新數組分配空間，iand表示兩個整數的"與"，ret用於流程控制，表示從對某一方法的調用中返回。當長度大於8位時，運算元被分為兩個以上位元組存放。JVM採用了"big endian"的編碼方式來處理這種情況，即高位bits存放在低位元組中。這同 Motorola及其他的RISC CPU採用的編碼方式是一致的，而與Intel採用的"little endian "的編碼方式即低位bits存放在低位位元組的方法不同。Java指令系統是以Java語言的實現為目的設計的，其中包含了用於調用方法和監視多執行緒系統的指令。Java的8位操作碼的長度使得JVM最多有256種指令，已使用了160多種操作碼。
JVM
JVM暫存器
所有的CPU均包含用於保存系統狀態和處理器所需信息的暫存器組。如果虛擬機定義較多的暫存器，便可以從中得到更多的信息而不必對棧或記憶體進行訪問，這有利於提高運行速度。然而，如果虛擬機中的暫存器比實際CPU的暫存器多，在實現虛擬機時就會占用處理器大量的時間來用常規存儲器模擬暫存器，這反而會降低虛擬機的效率。針對這種情況，JVM只設定了4個最為常用的暫存器。它們是：
pc程式計數器
optop運算元棧頂指針
frame當前執行環境指針
所有暫存器均為32位。pc用於記錄程式的執行。optop,frame和vars用於記錄指向Java棧區的指針。
棧結構
作為基於棧結構的計算機，Java棧是JVM存儲信息的主要方法。當JVM得到一個Java位元組碼應用程式後，便為該代碼中一個類的每一個方法創建一個棧框架，以保存該方法的狀態信息。每個棧框架包括以下三類信息：
執行環境
運算元棧
局部變數用於存儲一個類的方法中所用到的局部變數。vars暫存器指向該變數表中的第一個局部變數。
執行環境用於保存解釋器對Java位元組碼進行解釋過程中所需的信息。它們是：上次調用的方法、局部變數指針和運算元棧的棧頂和棧底指針。執行環境是一個執行一個方法的控制中心。例如：如果解釋器要執行iadd（整數加法），首先要從frame暫存器中找到當前執行環境，而後便從執行環境中找到運算元棧，從棧頂彈出兩個整數進行加法運算，最後將結果壓入棧頂。
運算元棧用於存儲運算所需運算元及運算的結果。
碎片回收
Java類的實例所需的存儲空間是在堆上分配的。解釋器具體承擔為類實例分配空間的工作。解釋器在為一個實例分配完存儲空間後，便開始記錄對該實例所占用的記憶體區域的使用。一旦對象使用完畢，便將其回收到堆中。在Java語言中，除了new語句外沒有其他方法為一對象申請和釋放記憶體。對記憶體進行釋放和回收的工作是由Java運行系統承擔的。這允許Java運行系統的設計者自己決定碎片回收的方法。在SUN公司開發的Java解釋器和Hot Java環境中，碎片回收用後台執行緒的方式來執行。這不但為運行系統提供了良好的性能，而且使程式設計人員擺脫了自己控制記憶體使用的風險。
存儲區
JVM有兩類存儲區：常量緩衝池和方法區。常量緩衝池用於存儲類名稱、方法和欄位名稱以及串常量。方法區則用於存儲Java方法的位元組碼。對於這兩種存儲區域具體實現方式在JVM規格中沒有明確規定。這使得Java應用程式的存儲布局必須在運行過程中確定，依賴於具體平台的實現方式。JVM是為Java位元組碼定義的一種獨立於具體平台的規格描述，是Java平台獨立性的基礎。JVM還存在一些限制和不足，有待於進一步的完善，但無論如何，JVM的思想是成功的。
對比分析：如果把Java原程式想像成我們的C++原程式，Java原程式編譯後生成的位元組碼就相當於C++原程式編譯後的80x86的機器碼（二進制程式檔案），JVM虛擬機相當於80x86計算機系統，Java解釋器相當於80x86CPU。在80x86CPU上運行的是機器碼，在Java解釋器上運行的是Java位元組碼。Java解釋器相當於運行Java位元組碼的“CPU”，但該“CPU”不是通過硬體實現的，而是用軟體實現的。Java解釋器實際上就是特定的平台下的一個應用程式。只要實現了特定平台下的解釋器程式，Java位元組碼就能通過解釋器程式在該平台下運行，這是Java跨平台的根本。當前，並不是在所有的平台下都有相應Java解釋器程式，這也是Java並不能在所有的平台下都能運行的原因，它只能在已實現了Java解釋器程式的平台下運行。
運行數據
JVM定義了若干個程式執行期間使用的數據區域。這個區域裡的一些數據在JVM啟動的時候創建，在JVM退出的時候銷毀。而其他的數據依賴於每一個執行緒，線上程創建時創建，線上程退出時銷毀。分別有程式計數器，堆，棧，方法區，運行時常量池。
體系結構
JVM可以由不同的廠商來實現。由於廠商的不同必然導致JVM在實現上的一些不同，然而JVM還是可以實現跨平台的特性，這就要歸功於設計JVM時的體系結構了。我們知道，一個JVM實例的行為不光是它自己的事，還涉及到它的子系統、存儲區域、數據類型和指令這些部分，它們描述了JVM的一個抽象的內部體系結構，其目的不光規定實現JVM時它內部的體系結構，更重要的是提供了一種方式，用於嚴格定義實現時的外部行為。每個JVM都有兩種機制，一個是裝載具有合適名稱的類(類或是接口），叫做類裝載子系統；另外的一個負責執行包含在已裝載的類或接口中的指令，叫做運行引擎。每個JVM又包括方法區、堆、Java棧、程式計數器和本地方法棧這五個部分，這幾個部分和類裝載機制與運行引擎機制一起組成的體系結構圖為：
JVM的每個實例都有一個它自己的方法域和一個堆，運行於JVM內的所有的執行緒都共享這些區域；當虛擬機裝載類檔案的時候，它解析其中的二進制數據所包含的類信息，並把它們放到方法域中；當程式運行的時候，JVM把程式初始化的所有對象置於堆上；而每個執行緒創建的時候，都會擁有自己的程式計數器和Java棧，其中程式計數器中的值指向下一條即將被執行的指令，執行緒的Java棧則存儲為該執行緒調用Java方法的狀態；本地方法調用的狀態被存儲在本地方法棧，該方法棧依賴於具體的實現。
JVM體系結構
JVM體系結構下面分別對這幾個部分進行說明。
執行引擎處於JVM的核心位置，在Java虛擬機規範中，它的行為是由指令集所決定的。儘管對於每條指令，規範很詳細地說明了當JVM執行位元組碼遇到指令時，它的實現應該做什麼，但對於怎么做卻言之甚少。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，把一個整數加到暫存器，子程式轉移等。Java指令集相當於Java程式的彙編語言。Java指令集中的指令包含一個單位元組的操作符，用於指定要執行的操作，還有0個或多個運算元，提供操作所需的參數或數據。許多指令沒有運算元，僅由一個單位元組的操作符構成。
虛擬機的內層循環的執行過程如下：
do{
取一個操作符位元組；
根據操作符的值執行一個動作；
}while（程式未結束）
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。指令中運算元的數量和大小是由操作符決定的。如果運算元比一個位元組大，那么它存儲的順序是高位位元組優先。例如，一個16位的參數存放時占用兩個位元組，其值為：
第一個位元組*256+第二個位元組位元組碼。
Java的堆是一個運行時數據區，類的實例（對象）從中分配空間，它的管理是由垃圾回收來負責的：不給程式設計師顯式釋放對象的能力。Java不規定具體使用的垃圾回收算法，可以根據系統的需求使用各種各樣的算法。
Java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，方法代碼不包括在垃圾回收堆中，但計畫在將來的版本中實現。每個類檔案包含了一個Java類或一個Java界面的編譯後的代碼。可以說類檔案是Java語言的執行代碼檔案。為了保證類檔案的平台無關性，Java虛擬機規範中對類檔案的格式也作了詳細的說明。其具體細節請參考Sun公司的Java虛擬機規範。
Java虛擬機的暫存器用於保存機器的運行狀態，與微處理器中的某些專用暫存器類似。Java虛擬機的暫存器有四種：
pc: Java程式計數器；
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。
在上述體系結構圖中，我們所說的是第一種，即程式計數器，每個執行緒一旦被創建就擁有了自己的程式計數器。當執行緒執行Java方法的時候，它包含該執行緒正在被執行的指令的地址。但是若執行緒執行的是一個本地的方法，那么程式計數器的值就不會被定義。
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暫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，那么它實際占據了索引n和n+1所代表的存儲空間）虛擬機規範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運算元棧的指令，也提供了把運算元棧中的值寫入局部變數的指令。
JRE和JVM的區別
JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java運行環境)，也就是Java平台。所有的Java程式都要在JRE下才能運行。JDK的工具也是Java程式，也需要JRE才能運行。為了保持JDK的獨立性和完整性，在JDK的安裝過程中，JRE也是安裝的一部分。所以，在JDK的安裝目錄下有一個名為jre的目錄，用於存放JRE檔案。
JVM(JavaVirtualMachine，Java虛擬機)是JRE的一部分。它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。JVM有自己完善的硬體架構，如處理器、堆疊、暫存器等，還具有相應的指令系統。Java語言最重要的特點就是跨平台運行。使用JVM就是為了支持與作業系統無關，實現跨平台。
運行環境區
在運行環境中包含的信息用於動態連結，正常的方法返回以及異常捕捉。
動態連結
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暫存器,並把調用者的程式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。
異常捕捉
異常情況在Java中被稱作Error（錯誤）或Exception（異常），是Throwable類的子類，在程式中的原因是：①動態連結錯，如無法找到所需的class檔案。②運行時錯，如對一個空指針的引用。程式使用了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繫的catch子句表。每個catch子句包含其有效指令範圍，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範圍之內，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，那么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，重複尋找匹配的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，對任意可能的程式計數器的值，都可以用線性的順序找到合適的異常處理塊，以處理在該程式計數器值下發生的異常情況。
§ 如果找不到匹配的catch子句，那么當前方法得到一個"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，那么這種錯誤將被傳播下去。如果錯誤被傳播到最頂層，那么系統將調用一個預設的異常處理塊。
運算元棧區
機器指令只從運算元棧中取運算元，對它們進行操作，並把結果返回到棧中。選擇棧結構的原因是：在只有少量暫存器或非通用暫存器的機器（如Intel486）上，也能夠高效地模擬虛擬機的行為。運算元棧是32位的。它用於給方法傳遞參數，並從方法接收結果，也用於支持操作的參數，並保存操作的結果。例如，iadd指令將兩個整數相加。相加的兩個整數應該是運算元棧頂的兩個字。這兩個字是由先前的指令壓進堆疊的。這兩個整數將從堆疊彈出、相加，並把結果壓回到運算元棧中。
每個原始數據類型都有專門的指令對它們進行必須的操作。每個運算元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。運算元只能被適用於其類型的操作符所操作。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，有少數操作（操作符dupe和swap），用於對運行時數據區進行操作時是不考慮類型的。
本地方法棧，當一個執行緒調用本地方法時，它就不再受到虛擬機關於結構和安全限制方面的約束，它既可以訪問虛擬機的運行期數據區，也可以使用本地處理器以及任何類型的棧。例如，本地棧是一個C語言的棧，那么當C程式調用C函式時，函式的參數以某種順序被壓入棧，結果則返回給調用函式。在實現Java虛擬機時，本地方法接口使用的是C語言的模型棧，那么它的本地方法棧的調度與使用則完全與C語言的棧相同。
運行過程
上面對虛擬機的各個部分進行了比較詳細的說明，下面通過一個具體的例子來分析它的運行過程。
虛擬機通過調用某個指定類的方法main啟動，傳遞給main一個字元串數組參數，使指定的類被裝載，同時連結該類所使用的其它的類型，並且初始化它們。新建一java源檔案並取名HelloApp.java，內容如下：
class HelloApp {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World!");
for (int i = 0; i < args.length; i++ ) {
System.out.println(args);
}
}
}
在命令模式下輸入：javac HelloApp.java 進行編譯，這時同目錄下會產生一個編譯後的檔案：HelloApp.class
然後在命令行模式下鍵入：java HelloApp run virtual machine
將通過調用HelloApp的方法main來啟動java虛擬機，傳遞給main一個包含三個字元串"run"、"virtual"、"machine"的數組。我們略述虛擬機在執行HelloApp時可能採取的步驟。
JVM虛擬機運行過程
JVM虛擬機運行過程開始試圖執行類HelloApp的main方法，發現該類並沒有被裝載，也就是說虛擬機當前不包含該類的二進制代表，於是虛擬機使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進制代表。如果這個進程失敗，則拋出一個異常。類被裝載後同時在main方法被調用之前，必須對類HelloApp與其它類型進行連結然後初始化。連結包含三個階段：檢驗，準備和解析。檢驗檢查被裝載的主類的符號和語義，準備則創建類或接口的靜態域以及把這些域初始化為標準的默認值，解析負責檢查主類對其它類或接口的符號引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對類中聲明的靜態初始化函式和靜態域的初始化構造方法的執行。一個類在初始化之前它的父類必須被初始化。
