Java语言实现机制

Java语言实现机制

1.Java虚拟机(Java Virtual Machine)

Java虚拟机（JVM）是在一台计算机上由软件模拟也可以用硬件来实现的假想的计算机。它定义了指令集（相当于中央处理器CPU）、寄存器集、类文件结构栈、垃圾收集堆、内存区域。

首先，Java编译器在获取Java应用程序的源代码后，把它编译成符合Java虚拟机规范的字节码（byte code）的class文件，class文件是JVM中可执行文件的格式。Java编译器针对Java虚拟机产生的class文件，Java虚拟机规范为不同的硬件平台提供了不同的编译代码

规范，该规范使Java软件独立于平台。然后，Java解释器负责将Java字节码文件解释执行，边解释边执行，这样，运行速度受到一定影响。为了提高运行速度，java提供了另一种解释运行的方法JIT（Just In Time），可以一次解释完，再运行特定平台上的机器码，

这样就实现了跨平台、可移植的功能。

在Java的运行环境中，每个Java解释器，不管他是Java开发工具，还是可运行的applets的web浏览器，都可以执行Java虚拟机。字节码的运行要经过下面三个步骤：

（1）加载代码：由Class Loader完成。

（2）校验代码：由Bytecode Verifier完成。

（3）执行代码：由Runtime Interpreter完成。

部分校验过的字节码被编译成原始机器码并直接运行于硬件平台。这就使Java软件代码能够以与C或C++接近的速度运行，只是在加载时，因为要编译成原始机器码而略有延迟。

构成Java软件程序的字节码在运行时被加载、校验并在解释器中运行。当运行applets时，字节码可被下载，然后由建于浏览器中的JVM进行解释。解释器具备两种功能，一是执行字节码，二是对底层硬件平台做适当调用。

Java虚拟机提供了编译代码的规范，它要求代码的格式由字节码构成，由JVM字节码编写的程序必须保持适当的类型约束。对这种类型约束的检查，大部分是在编译时完成的。

Java虚拟机也提供了硬件平台规范，它能够解读独立于平台的已编译好的字节码文件，每个由Sun批准的Java虚拟机规范中有所指定的类文件格式，如：每个文件都包含最多一个public类。

Java虚拟机执行过程有三个典型特点：

（1）多线程：Java虚拟机支持多个线程的同时运行，这些线程独立的执行Java代码，处理公共数据区和私有栈中的数据。

（2）动态连接：Java程序之所以适合在网络上运行，其主要原因是由于Java虚拟机具有动态连接特性。

（3）异常处理：Java虚拟机提供了可靠的异常处理。

2.Java垃圾回收机制（Garbage Collection)

Java语言中任何事物都封装在类中，每个类都会创建一个或多个实例对象，每个对象都有生命周期，我们需要时就去创建、调用它，不用时就应清楚它（稍后再用）。这种动态的实例对象是被存放在内存堆（Memory Heap）中的，随着科技的发展，我们可以不断更新

扩展硬件设施，但任何存储介质都是有极限的，那么内存也不异常，对于不再使用的对象，我们应该将其清除，从而释放资源。许多编程语言都允许在程序运行时动态分配存储器，分配存储器的过程由于语言句法的不同而不同，当不再需要分配存储器或存储器指针溢

出范围时，程序或运行环境应停止继续分配存储器，进行内存回收，但如何进行内存回收却是一件很困难很复杂的事情，在C、C++或其他语言中，程序员负责回收已分配的内存。由于存储器是动态分配的，通常我们无法准确判断存储器应在何时被释放。这就为程序运

行留下隐患，当系统运行中没有能够被分配的存储器时，就会导致程序瘫痪。Java语言解除了程序员释放已分配存储器的责任，是通过提供一个系统级线程对内存使用进行跟踪实现的，由于Java是单根结构，任何一个类都直接或间接地继承于java.lang.Object类，所

以系统级线程可以跟踪每一次存储器的分配情况，并且可以逐级回溯，定期检测出不再使用的内存，在系统空闲时自动进行回收。垃圾收集是在Java程序的生命周期中自动进行的，我们无法判断垃圾回收线程何时启动，要执行多长时间，这使得程序在运行期间出现一

种不连贯的状态，并且在一定程度上降低了程序的运行效率，但这个代价还是值得的。

3.代码安全性检测（Code Security）

Java的安全性的考虑最初来源于Java Applet，由于它可以被轻易的下载到web浏览器上运行，改变了以往传统模式下桌面计算机系统的应用软件的更新方式，这种移动代码可以经Internet的web浏览器自动下载和更新，在享受便捷快速的技术更新的同时也带来了安全

隐患。Java v1.0采用了沙箱（sandbox）安全模型，它的主要思想是像applet这样通过远程下载的代码只能受限的访问系统资源，如不能访问本地文件、不能建立新的网络连接等，它们的行为受限于沙箱之中。由于这个模型约束太多，大大削弱了移动代码的优势。在

Java v1.1中采用了信任安全模型，其主要思想是使用户可以有选择的授权给远程代码，如果远程某地资源可以被信任，那么带有此地签名的代码将被授权可以访问本地的资源系统，其他不被信任的代码仍受限于沙箱内。Java2平台则采用了域管理方式的安全模型，无

论是本地代码还是远程代码都可以通过配置的策略，设定可访问的资源域，这种策略更好的支持了企业级的应用，同时也消除了区分本地代码和远程代码带来的困难。上面已经讲过字节码需要进行校验，实际上Java代码再运行之前要经过几次检验，大都是从安全角度

考虑，JVM将代码输入一个字节码校验器以测试代码段格式并进行规则检查，检查伪造指针、违反对象访问权限或试图改变对象类型的非法代码、对象域访问是否合法等。在运行时还要进行字节码校验，主要判断字节码是否符合JVM规范，是否破坏系统完整性，是否

引起操作数堆栈上溢或下溢，代码的参数类型是否准确，有无非法数据转换，有无访问限制违例等。