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title: JVM前篇
date: 2024-08-25
tags: [JVM]
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## 前言

jvm规范

![image 52.png](JVM前篇/image52.png)

## 概述

首先我们要了解虚拟机的具体定义，我们所接触过的虚拟机有安装操作系统的虚拟机，也有我们的Java虚拟机，而它们所面向的对象不同，Java虚拟机只是面向单一应用程序的虚拟机，但是它和我们接触的系统级虚拟机一样，我们也可以为其分配实际的硬件资源，比如最大内存大小等。

  

并且Java虚拟机并没有采用传统的PC架构，比如现在的**HotSpot虚拟机**，实际上采用的是`**基于栈的指令集架构**`，而我们的传统程序设计一般都是`基于``**寄存器**``的指令集架构`，这里我们需要回顾一下`计算机组成原理`中的CPU结构：

![image 1 30.png](JVM前篇/image130.png)

> 省略了C语言在不同架构下编译出的汇编程序

C语言在不同的CPU架构下，实际上得到的汇编代码也不一样，并且在arm架构下并没有和x86架构一样的寄存器结构，因此只能使用不同的汇编指令操作来实现。所以这也是为什么C语言不支持跨平台的原因，依赖于硬件的支持。

Java利用了JVM，它提供了很好的平台无关性（当然，JVM本身是不跨平台的），我们的Java程序编译之后，并不是可以由平台直接运行的程序，而是由JVM运行，同时，我们前面说了，JVM（如HotSpot虚拟机），实际上采用的是`基于栈的指令集架构`，它并没有依赖于寄存器，而是更多的利用操作栈来完成，这样不仅设计和实现起来更简单，并且也能够更加方便地实现跨平台，不太依赖于硬件的支持。

> 省略分析字节码(class)文件分析

实际上我们发现，JVM执行的命令基本都是**入栈出栈**等，而且大部分指令都是没有==操作数(字面量)==的，传统的汇编指令有一操作数、二操作数甚至三操作数的指令，Java相比C编译出来的汇编指令，执行起来会更加复杂，实现某个功能的指令条数也会更多，所以Java的执行效率实际上是不如C/C++的，虽然能够很方便地实现跨平台，但是性能上大打折扣，所以在性能要求比较苛刻的Android上，采用的是**定制版的JVM**，并且是==基于寄存器的指令集架构==。此外，在某些情况下，我们还可以使用JNI机制来通过Java调用C/C++编写的程序以提升性能（也就是本地方法，使用到native关键字）

## jvm历史

JVM会根据当前代码的进行判断，当虚拟机发现某个方法或代码块的运行特别频繁时，就会把这些代码认定为“热点代码”。为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化，完成这个任务的编译器称为即时编译器（Just In Time Compiler）

![image 2 20.png](JVM前篇/image220.png)

## JVM启动流程

![image 3 17.png](JVM前篇/image317.png)

## JNI调用本地方法

Java还有一个**JNI**机制，它的全称：==Java Native Interface==，即Java本地接口。它允许在Java虚拟机内运行的Java代码与其他编程语言（如C/C++和汇编语言）编写的程序和库进行交互（在Android开发中用得比较多）比如我们现在想要让C语言程序帮助我们的Java程序实现a+b的运算，首先我们需要创建一个本地方法：

```Java
public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(sum(1, 2));
	}
	//本地方法使用native关键字标记，无需任何实现，交给C语言实现
	public static native int sum(int a, int b);
}
```

创建好后，接着点击构建(编译)按钮，会出现一个out文件夹，也就是生成的class文件在其中，接着我们直接生成对应的C头文件：

```Shell
javah -classpath out/production/SimpleHelloWorld -d ./jni com.test.Main
```

生成的头文件位于jni文件夹下：

```C
/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
\#include <jni.h>/* Header for class com_test_Main */

\#ifndef _Included_com_test_Main
\#define _Included_com_test_Main
\#ifdef __cplusplus
extern "C" {
\#endif/*
 * Class:     com_test_Main
 * Method:    sum
 * Signature: (II)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_test_Main_sum
  (JNIEnv *, jclass, jint, jint);

\#ifdef __cplusplus
}
\#endif#endif
```

接着我们在CLion中新建一个C++项目，并引入刚刚生成的头文件，并导入jni相关头文件（在JDK文件夹中）首先修改CMake文件：

```Plain
cmake_minimum_required(VERSION 3.21)
project(JNITest)

include_directories(/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/include)
include_directories(/Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/include/darwin)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)

add_executable(JNITest com_test_Main.cpp com_test_Main.h)
```

接着就可以编写实现了，首先认识一下引用类型对照表：

![image 4 15.png](JVM前篇/image415.png)

所以我们这里直接返回a+b即可：

```C++
\#include "com_test_Main.h"JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_test_Main_sum
        (JNIEnv * env, jclass clazz, jint a, jint b){
    return a + b;
}
```

接着我们就可以将cpp编译为动态链接库，在MacOS下会生成`.dylib`文件，Windows下会生成`.dll`文件，我们这里就只以MacOS为例，命令有点长，因为还需要包含JDK目录下的头文件：

```Shell
gcc com_test_Main.cpp -I /Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/include -I /Library/Java/JavaVirtualMachines/zulu-8.jdk/Contents/Home/include/darwin -fPIC -shared -o test.dylib -lstdc++
```

编译完成后，得到`test.dylib`文件，这就是动态链接库了。

最后我们再将其放到桌面，然后在Java程序中加载：

```Java
public class Main {
    static {
        System.load("/Users/nagocoler/Desktop/test.dylib");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(sum(1, 2));
    }

    public static native int sum(int a, int b);
}
```

运行，成功得到结果：

```shell
/home/nagocoler/jdk-jdk8-b120/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/bin/java Main
Hello World!

Process finished with exit code 0
```

### 总结

- 在Java中编写方法接口(即native修饰的方法)
- 编译生成class文件，根据clas文件生成JNI头文件(C头文件)，其中包含你在C代码中需要实现的函数声明（生成一个c头文件，头文件说明了需要的函数）
- 创建C项目，引入生成的头文件，编写需要实现的函数
- 使用==CMake==将C编译成动态链接共享库
- 运行Java程序(需要调用系统类对共享库进行加载)

通过了解JVM的一些基础知识，我们心目中大致有了一个JVM的模型，在下一章，我们将继续深入学习JVM的内存管理机制和垃圾收集器机制，以及一些实用工具。