Java运行原理与Java虚拟机张华伟.docx

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Java运行原理与Java虚拟机张华伟

Java运行原理与Java虚拟机

张华伟，魏庆

（河南财经学院，河南郑州450002）

摘要：

Java

独特的编译和解释过程，使得

Java

语言具有了平台无关性和安全性，而这些特性的关键在于

Java

字节码的

设计以及运行该字节码的

Java

虚拟机。

本文旨在从

Java

的运行原理入手，总结了

Java

虚拟机的结构特点、安全性及其发展。

关键词：

Java

虚拟机；安全；字节码

中图分类号：

TP311.15

文献标识码：

A

JavaOpeartingPrincipleandJavaVirtualMachine

ZHANGHua-wei

，

WEIQing

（

HenanPolytechnicInstitute

，

HenanZhengzhou450002

）

Keywords：

javavirtalmachine

；

safety

；

byte

1Java

的运行原理概述

几乎所有的语言均需要通过编译或者解释才可以被我们的

电脑执行。

可是

Java

与众不同，它同时需要这两个过程。

当我

们写好了一个

Java

源程序的时候，

Java

编译程序先将

Java

源程

序翻译为

Java

的虚拟机可以执行的一种叫做字节码（

byte

code

）的中间代码。

然后再由

Java

平台的解释器将这种字节码

文件翻译成本地的机器指令来执行。

这个

Java

平台的核心就是

Java

虚拟机（

JavaVirtualMachine

，

JVM

）。

如下图所示：

图1Java的运行原理

我们先来看

Java

的编译过程，这个过程与其他程序设计语

言存在很大的不同。

例如，像

C++

这样的语言在编译的时候，是

与机器的硬件平台信息密不可分的，编译程序通过查表将所有

对符号的引用转换为特定的内存偏移量以保证程序运行，并且

编译结果是可执行的代码。

而

Java

编译器却不将对变量和方法

的引用编译为数值引用，也不确定程序执行过程中的内存布局，

而是将这些符号引用信息保留在一种扩展名为

.class

的字节码

文件中，这种文件的最大特点就是不包含硬件的信息，因此这种

字节码文件还不能在机器上执行，如果需要执行，还要再由

Java

的解释器在解释执行字节码的过程中创立内存布局，然后再通

过查表来确定每一条指令所在的具体地址。

Java

的解释过程也很特别，传统的解释性语言如

BASIC

在

解释执行的时候，是直接将源程序一条一条地通过解释器进行

词法分析、语法分析等最终翻译为本地的机器指令，并在真正

CPU

上执行。

而

Java

的解释过程是先通过

Java

虚拟机读取

Java

字节码文件，然后再将其转换成和系统硬件相关的本地指令，并

最终在

CPU

上执行。

其实，也正是因为这种特殊的编译和解释过程，才使得

Java

这种语言具有了平台无关性和安全性。

这些特性的关键在于

Java

的字节码设计。

字节码是一套用来在

Java

系统下运行时执

行的高度优化的指令集，执行该指令集的系统是

Java

的虚拟

机。

在其标准形式下，

Java

的虚拟机就是一个字节码解释器。

为了更好地了解

Java

虚拟机在解决程序可移植和安全等方面所

发挥的作用，我们需要对

Java

虚拟机做更深入的了解。

2Java

虚拟机的结构

Java

虚拟机是使字节码文件具有跨平台能力的核心结构。

其中，包含对

Java

字节码进行翻译的解释器。

该解释器解释执

行字节码的过程分为三步进行：

代码的装入、代码的校验和代码

的执行。

装入代码的工作由“类装载器”（

classloader

）完成。

类

装载器负责装入运行一个程序需要的所有代码，这也包括程序

代码中的类所继承的类和被其调用的类。

当类装载器装入一个

类时，该类被放在自己的名字空间中。

除了通过符号引用自己

名字空间以外的类，类之间没有其他办法可以影响其他类。

在

作者简介：

张华伟（

1977-

），女，河南省郑州市人，硕士，实验师，主

要研究方向：

计算机应用研究；

魏庆（

1977-

），男，河南郑州人，硕士，讲师，主要研究方向：

程序

开发与应用。

本台计算机上的所有类都在同一地址空间内，而所有从外部引

进的类，都有一个自己独立的名字空间。

这使得本地类通过共

享相同的名字空间获得较高的运行效率，同时又保证它们与从

外部引进的类不会相互影响。

当装入了运行程序需要的所有类

后，解释器便可确定整个可执行程序的内存布局。

解释器为符

号引用特定的地址空间建立对应关系及查询表。

通过在这一阶

段确定代码的内存布局，

Java

很好地解决了由超类改变而使子

类崩溃的问题，同时也防止了代码对地址的非法访问。

随后，被

装入的代码由字节码校验器进行检查。

校验器可发现操作数栈

溢出、非法数据类型转化等多种错误。

通过校验后，代码便开始

执行了。

可见，

Java

虚拟机的基本执行单元是

.class

文件。

一个

Java

的源程序经过编译后会形成一个或多个

.class

文件。

因此，带有

多个

.class

文件的

Java

程序在执行时与传统程序相比就有其特

殊性。

传统的程序在运行前，系统要装入含有全部程序码的单

一执行文件，而

Java

虚拟机在执行程序时则不同，它遵循“即用

即装入”的原则。

具体讲，由于一个

.class

文件可以引用许多其

它

.class

文件，当运行的类需要其他类时，

Java

虚拟机即从网络或

本地文件系统装入

.class

文件。

当然，一个

Java

程序也可以直接被编译为本机代码，但是这

对于连接到

Internet

上的每一种

CPU

类型，都要有该程序的对应

版本。

这显然不是一个可行的解决方案。

因此，对字节码进行

解释是编写真正可移植性程序最容易的方法。

3Java

虚拟机的安全性

需要注意的是，

Java

虚拟机的取得要谨慎小心。

因为大多

数

Java

安全的措施都靠无病毒的

Java

虚拟机来完成，如果用户

下载了一个带有病毒的虚拟机，则虚拟机不仅失去防范功能，本

身也可能成为用户的隐患。

Sun

等主要提供

Java

虚拟机下载的

公司都对自己的

Java

虚拟机经过了彻底检查，下载和操作通常

是安全的。

可以这么说，下载安全的

Java

虚拟机是对付病毒入

侵和保障程序安全的第一道防线。

有了安全的虚拟机之后，对

Java

程序进行解释执行的方式

也是保证

Java

程序安全性的一个重要原因。

因为每个

Java

程序

的运行都在

Java

虚拟机的控制之下，

Java

虚拟机可以包含这个

程序并且能阻止它在系统之外产生副作用。

例如，

Java

程序从

网络上下载运行时必然会带来许多不安全因素。

一些恶意的

Hacker

可以直接写出字节代码段攻击用户节点，如删除文件、搞

乱硬盘或未经用户许可在网上发送本地信息等。

有了

Java

虚拟

机，这些防卫本地机被攻击的任务就可以交给它来完成了。

这是因为

Java

虚拟机本身提供了几种安全机制，这些机制

可以保证在执行

.class

文件前，首先要对其进行验证。

如果没有

通过验证，则不执行并给出错误信息。

相反，如果程序成功地经

过验证阶段，

Java

虚拟机将运行解释器读取字节码，把字节码转

换成操作系统硬件相关的指令，并在真正的

CPU

上执行。

其中，

安全管理器和

Java

类文件认证器两种主要的机制。

安全管理器是安全的实施者，它是一个可扩展类，提供加在

应用程序和特殊系统上的安全措施，实现

Java

虚拟机的安全策

略，建立

Java

程序的命名空间，限制对网络、本地文件系统和程

序其它部分的访问（程序的命名空间是由操作系统或这里的

Ja⁃

va

虚拟机所建立的程序边界，该程序无法访问命名空间以外的

资源）。

Java

认证器在

.class

文件运行前完成对该文件的安全检查，

确保

Java

字节码符合

Java

虚拟机规范。

Java

平台通过使用认证

器查看类文件的句法和词法的正确性、检查版本及

API

符合性

等，保证病毒和其他恶意程序不会侵犯本地系统。

认证器包括

四个阶段的操作：

类文件认证、类型系统认证、字节码认证和运

行时类型与访问检查。

此外，认证器在检查期间还能识别算法

操作的上溢和下溢等其他可能发生在运行期间的程序错误。

4Java

虚拟机的性能

由于在当前主机操作系统中加上了

Java

虚拟机层，因此被

解释的程序的运行速度通常确实会比同一个程序被编译为可执

行代码的运行速度慢一些。

除了解释过程会影响

Java

字节码执

行速度之外，还有其他一些原因也会影响

Java

虚拟机的性能。

比如：

读入的字节码是在运行时进行验证，验证过程需要花费时

间，而传统程序在程序编译时即完成验证工作；

Java

完全依赖堆

栈，运算操作都在堆栈上执行，而传统编译型语言在编译时就已

经进行多种优化工作，很多计算操作可直接在寄存器中完成。

还有程序执行期间，系统要进行无用内存单元回收工作，在回收

过程中，程序还将停止执行，这些无疑也会影响其性能。

不过，针对

Java

虚拟机执行程序速度慢的问题，

Sun

公司和

业界的其他主要公司（如

Microsoft,Borland

等）也提出了改进方

法。

比如，通过多线程编程来提高

Java

程序的执行效率。

当然，

最直接的方法还是

Java

程序动态的编译为本机代码。

SUN

公司

在

Java2

发行版中提供了一个字节码编译器——

JIT

（

JustIn

Time

），

JIT

编译器在程序开始执行前先将所有字节码翻译成本地

机器码，然后再将翻译后的机器码放在

CPU

上运行。

实际上，

JIT

仍是

Java

虚拟机的一部分，它不能将整个

Java

程序一次性全部编

译为可执行的代码，而是只编译它运行时需要的代码。

这是因为

Java

要执行各种检查，而这些检查只有在运行时才执行。

尽管如

此，这种即时编译执行的方法仍然使其性能得到较大提高。

即使

对字节码进行动态编译后，

Java

程序的可移植性和安全性仍能得

到保证，因为运行时系统（该系统执行编译）仍然能够控制

Java

程

序的运行环境。

无论

Java

程序被按照传统方式解释为字节码，

还是被动态编译为可执行代码，其功能是相同的。

张华伟：

Java

运行原理与

Java

虚拟机

45Java

虚拟机的发展

通过虚拟机来执行

Java

是最常见的架构方式。

这是由于：

一方面是虚拟机的

Java

平台最容易被实现，另一方面是只要有

了虚拟机就可以在不更换现有的系统平台（操作系统和

CPU

）下

稳定地执行

Java

程序。

目前，多数主流的系统平台（包括

Win⁃

dows

、

Linux

、

Mac

、

Solaris...

）都已内置

Java

的虚拟机了。

实际上，只要能够执行

Java

字节码文件的平台，都可以称之

为

Java

平台。

除了虚拟机这种常见的架构方式之外，实现

Java

平台的方式还有两种，分别是：

Java

操作系统（

JavaOperating

System

）；

Java

芯片（

JavaChip

）。

其实，如果把

Java

虚拟机整合进已有的操作系统中（例如：

MacOSX

），或是打造一个全新的操作系统来专门执行

Java

字节

码（例如：

JavaOS

），这类能直接执行

Java

字节码的操作系统也可

视为

Java

平台。

这样的执行架构大致上可以分成三层，分别是：

第一层（最上层）的

Java

字节码；第二层的

Java

操作系统；第三

层（最底层）的芯片。

如果把

Java

操作系统和已有的芯片整合起来，成为一组新

的芯片（例如：

ARM7

、

ARM9

），或者打造一个全新的

Java

专用芯

片（例如：

aJileaJ-100

），那么，此一种类的芯片也是

Java

平台。

这样的执行架构大致上可以分成两层，分别是：

第一层（最上层）

的

Java

字节码；第二层（最底层）的

Java

芯片。

一般来说，通过

Java

操作系统来执行

Java

字节码，效率会比

虚拟机的方式更好。

因此，

Java

虚拟机被整合进操作系统中来

提升该操作系统的附加价值的这种做法有可能会成为一种趋势

（例如：

MacOSX

就是很好地整合了

Java

和操作系统）。

但是，如

果设计一套只能执行

Java

的全新操作系统，可能不容易成功，因

为全新的操作系统势必会面临驱动程序不足的严重困扰。

为

此，加上事实证明，操作系统的

Java

平台比虚拟机的

Java

平台效

率提升不如预期多，所以

IBM

和

Sun

合作的纯

Java

操作系统最终

没有成功。

由于虚拟机的技术一直在进步，因此执行效率一直

都有持续的提升，目前已经相当逼近

Java

操作系统的架构方式，

所以虚拟机的方式应该会继续成为

PC

上的主流

Java

平台。

无论是虚拟机还是

Java

操作系统，由于

Java

语言是解释型

语言

因此在一般的通用处理器上其运行速度比起编译型语言都

会慢一些。

Sun

公司为了进一步推广

Java

的应用，还推出了

Java

芯片。

这些芯片可以说是

Java

虚拟机的硬件实现。

与通用芯片

和解释器构成的虚拟机不同，

Java

芯片可以直接执行字节码。

也就是说，字节码就是

Java

芯片的指令集。

这种利用芯片的方

式，对于

Java

程序的执行速度会有更大的提升，毕竟硬件的速度

比软件快许多，这种方式以后会成为嵌入式系统的主流。

但是，

这种方式把

Java

整个变成硬件平台，当然，也就不再适合跨平台

了。

6

结束语

从本文的分析可以看出，无论是标准化组织、终端厂商、运

营商，还是应用开发者，都在促进

Java

跨平台特性，减少各平台

间的分裂性，在繁荣

Java

的应用方面做出了不少努力。

而作为

Java

业界的领头羊，

SunMicroSystems

也计划打造一款整个操

作系统都是由

Java

实现的纯

Java

终端，而

ARM

公司也有推出专

门针对

Java

指令的加速芯片，通过硬件加速来提高

Java

的执行

效率。

由此可见，虽然目前

Java

还没有百分之百地实现跨平台

性和执行的高效性，但是，我们相信随着业界的共同努力，

Java

的发展空间会越来越大。

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