深入探索Java工作原理：JVM，內存回收及其他
Java語言引入了Java虛擬機，具有跨平臺運行的功能，能夠很好地適應各種Web應用。同時，為了提高Java語言的性能和健壯性，還引入了如垃圾回收機制等新功能，通過這些改進讓Java具有其獨特的工作原理。
1．Java虛擬機
Java虛擬機（Java Virtual Machine，JVM）是軟件模擬的計算機，它可以在任何處理器上（無論是在計算機中還是在其他電子設備中）安全兼容地執行保存在.class文件中的字節碼。Java虛擬機的“機器碼”保存在.class文件中，有時也可以稱之為字節碼文件。
Java程序的跨平臺特性主要是指字節碼文件可以在任何具有Java虛擬機的計算機或者電子設備上運行，Java虛擬機中的Java解釋器負責將字節碼文件解釋成為特定的機器碼進行運行。因此在運行時，Java源程序需要通過編譯器編譯成為.class文件。
Java虛擬機的建立需要針對不同的軟硬件平臺來實現，既要考慮處理器的型號，也要考慮操作系統的種類。由此在SPARC結構、X86結構、MIPS和PPC等嵌入式處理芯片上，在UNIX、Linux、Windows和部分實時操作系統上都可實現Java虛擬機。
2．無用內存自動回收機制
在程序的執行過程中，部分內存在使用過后就處于廢棄狀態，如果不及時進行回收，很有可能會導致內存泄漏，進而引發系統崩潰。在C++語言中是由程序員進行內存回收的，程序員需要在編寫程序時把不再使用的對象內存釋放掉，這種人為管理內存釋放的方法往往由于程序員的疏忽而致使內存無法回收，同時也增加了程序員的工作量。而在Java運行環境中，始終存在著一個系統級的線程，專門跟蹤內存的使用情況，定期檢測出不再使用的內存，并自動進行回收，避免了內存的泄露，也減輕了程序員的工作量。
3．代碼安全性檢查機制
安全和方便總是相對矛盾的。Java編程語言的出現使得客戶端計算機可以方便地從網絡上上傳或下載Java程序到本地計算機上運行，但是如何保證該Java程序不攜帶病毒或者沒有其他危險目的呢？為了確保Java程序執行的安全性，Java語言通過Applet程序來控制非法程序的安全性，也就是有了它才確保Java語言的生存。
Java字節碼的執行需要經過以下3個步驟：
（1）由類裝載器（class loader）負責把類文件（.class文件）加載到Java虛擬機中。在此過程需要檢驗該類文件是否符合類文件規范。
（2）字節碼校驗器（bytecode verifier）檢查該類文件的代碼中是否存在著某些非法操作，例如Applet程序中寫本地計算機文件系統的操作。
（3）如果字節碼校驗器檢驗通過，由Java解釋器負責把該類文件解釋成為機器碼進行執行。
注意：
Java虛擬機采用“沙箱”運行模式，即把Java程序的代碼和數據都限制在一定內存空間里執行，不允許程序訪問該內存空間以外的內存。如果是Applet程序，還不允許訪問客戶端機器的文件系統。
Java的運行環境
無論哪種語言都需要有它特定的運行環境，也就是平臺。Java語言同樣不例外。但是如何理解Java程序與硬件環境無關呢？
幾乎所有的語言都需要通過編譯或者解釋才可以被計算機執行，但是Java有一點不同，它同時需要這兩個過程。其實，也正是因為這個原因才使Java這種語言具有了平臺無關性。當完成一個Java源程序后，首先，通過Java翻譯程序將它編譯成一種叫做字節碼的中間代碼，然后再由Java平臺的解釋器將它轉換成為機器語言來執行，這一平臺的核心就是JVM。
Java的編譯過程與其他的語言不同。像C++這樣的語言，在編譯時它是與計算機的硬件平臺信息密不可分的。編譯程序通過查表將所有指令的操作數和操作碼等轉換成內存的偏移量，即程序運行時的內存分配方式，目的是保證程序正常運行。而Java卻是將指令轉換成為一種.class的文件，這種文件不包含硬件的信息，需要執行時只要經過安裝有JVM的機器進行解釋，創建內存分配后再通過查表來確定一條指令所在的地址。這樣就有效地保證了Java的可移植性和安全性。
Java平臺具有這樣的特性和它的結構有關。通常一個程序運行的平臺是一個硬件或者軟件運行的環境，目前比較流行的是Windows XP、Linux、Solaris和MacOS。Java的平臺不太一樣，它由兩個部分組成，即JVM和應用程序設計接口。
1．JVM
JVM是Java平臺的核心，為了讓編譯產生的字節碼能更好地解釋與執行，因此把JVM分成了6個部分：JVM解釋器、指令系統、寄存器、棧、存儲區和碎片回收區。
◆JVM解釋器：即這個虛擬機處理字段碼的CPU。
◆JVM指令系統：該系統與計算機很相似，一條指令由操作碼和操作數兩部分組成。操作碼為8位二進制數，主要是為了說明一條指令的功能，操作數可以根據需要而定，JVM有多達256種不同的操作指令。
◆寄存器：JVM有自己的虛擬寄存器，這樣就可以快速地與JVM的解釋器進行數據交換。為了功能的需要，JVM設置了4個常用的32位寄存器：pc（程序計數器）、optop（操作數棧頂指針）、frame（當前執行環境指針）和vars（指向當前執行環境中第一個局部變量的指針）。
◆JVM棧：指令執行時數據和信息存儲的場所和控制中心，它提供給JVM解釋器運算所需要的信息。
◆存儲區：JVM存儲區用于存儲編譯過后的字節碼等信息。
◆碎片回收區：JVM碎片回收是指將使用過的Java類的具體實例從內存進行回收，這就使得開發人員免去了自己編程控制內存的麻煩和危險。隨著JVM的不斷升級，其碎片回收的技術和算法也更加合理。JVM 1.4.1版后產生了一種叫分代收集技術，簡單來說就是利用對象在程序中生存的時間劃分成代，以此為標準進行碎片回收。
2．Java應用程序設計接口
Java Application Programming Interface簡稱Java API，其中文名為Java應用程序設計接口。它是一個軟件集合，其中有許多開發時所需要的控件，可以用它來輔助開發。
Java API和JVM構成了Java運行的基本環境，這兩種軟件整合在一起處于計算機之上，通過這兩種軟件，Java平臺把一個Java應用程序從硬件系統分離開，從而很好地保證了程序的獨立性。為了更好地適應開發的需要，Java的設計者們提供了3種版本的Java平臺：Java 2 Micro Edition （J2ME ）、Java 2 Standard Edition（J2SE）和 Java 2 Enterprise Edition （J2EE），每一種版本都提供了豐富的開發工具以適應不同的開發需要。
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