Из всех этих пяти элементов, элементы, которые привели к успеху Java
■ Определение байт-кода,
■ структура файла.class,
■ и Виртуальная машина Java.
Таким образом "write once and run anywhere", было фактически осуществлено благодаря мобильности файла.class, который помогает выполнению на любом компьютере или наборе микросхем с использованием Виртуальной Машины Java.
1.3.1 Что такое Виртуальная машина Java?
Виртуальная машина - это программное обеспечение, основанное на понятиях и идее относительно воображаемого компьютера, который имеет логический набор команд, и команд, определяющих операции этого компьютера. Это.можно сказать, небольшая операционная система. Она формирует необходимый уровень абстракции, где достигается независимость от платформы, используемого оборудования.
Компилятор конвертирует исходный текст в код, который основан на воображаемой системе команд компьютеров и не зависит от специфичности процессора. Интерпретатор -приложение, которое понимает эти потоки команд и преобразовывает эти команды для используемого оборудования, к которому относится интерпретатор. JVM создает систему поддержки выполнения внутренне, что помогает выполнению кода при
■ загрузке файлов.class,
■ управлению памятью
■ выполнении обработки исключений.
Из-за несогласованности аппаратных платформ виртуальная машина использует понятие стека, который содержит следующую информацию:
■ Описатели состояния метода
■ Операнды к байт-кодам
■ Параметры методов
■ Локальные переменные
Когда код выполняется с помощью JVM, то существует один специальный регистр, который используется как счетчик, указывая выполняющиеся в настоящее время команды. Если необходимо, команды изменяют программу, изменяют поток выполнения, иначе поток последователен и переходит от одной команды к другой.
Другое понятие, которое становится популярным - это использование Just In Time (JIT) компилятора. Браузеры подобно Netscape Navigator 4.0 и Internet Explorer 4.0 включают JIT компиляторы, которые увеличивают скорость выполнения кодов Java. Основная цель JIТ состоит в том, чтобы преобразовать систему команд байт-кода к машинным командам кода, целенаправленным для специфического микропроцессора. Эти команды сохраняются и используются всякий раз, когда запрос делается к этому специфическому методу.
1.3.2 Среда выполнения Java
JRE (Java Runtime Environment, среда выполнения Java) JVM взаимодействующего с аппаратными средствами на одной стороне и программе на другом. JRE выполняет код, откомпилированный для JVM:
Загрузка.class файлов
Выполняется с помощью "Загрузчика классов"
Загрузчик класса делает проверку защиты, если файлы используются в сети.
Проверка байт-кода
Выполняется "верификатором байт-кода"
Верификатор байт-кода проверяет формат кода, преобразования типов объектов и проверяет нарушение прав доступа.
Выполнение кода
Выполняется "интерпретатором во время выполнения"
Интерпретатор выполняет байт-коды и делает запросы на используемое оборудование.
Рисунок 1.3: Среда выполнения Java
1.3.3 Обработка исключений и управление памятью
В С, C++ или Паскале, программисты использовали примитивные методы распределения и освобождения блоков памяти - динамическую память. Динамическая память -большой кусок памяти, который обозначен в объёме всей памяти.
Динамическая память используется:
Свободный блочный список
Распределённый блочный список
Свободный список проверяет блок памяти всякий раз, когда делается запрос. Используется механизм распределения - "метод первого подходящего блока", посредством чего первый наименьший блок памяти распределяется в зависимости от запроса. Эта процедура распределяет и освобождает небольшие объёмы памяти различных размеров от динамической памяти, при этом фрагментация динамической памяти сводится к минимуму.
Существует стадия, посредством которой выполняется запрос к памяти - для получения большего блока памяти, чем доступно. В таких случаях программа управления динамической областью должна создать больше памяти. Эту методику называют уплотнением. Это процесс, посредством которого все свободные доступные блоки памяти объединяются вместе, перемещая свободную память одному из концов динамической памяти, таким образом создавая один большой блок памяти.
Виртуальная Машина Java использует две отдельные динамических памяти для статического и динамического распределения памяти.
Динамическая память - не делает обработку исключений динамической памяти, которая сохраняет все свойства класса, постоянный пул и таблицы методов.
Вторая динамическая память снова разделена на два раздела, которые могут быть расширены в противоположных направлениях когда потребуется. Один раздел используется, чтобы сохранять образцы объектов, а другой раздел используется, чтобы сохранять дескрипторы в эти образцы. Дескриптор - структура, которая состоит из двух указателей. Указываете на таблицу методов объекта и других пунктов к образцу того объекта. Это размещение в основном устраняет потребность сохранения путей, указывающих на объект при модифицировании указателей после уплотнения. Все, что мы должны сделать - это обновить значение указателя дескриптора.
Алгоритм обработки исключений применяется к объектам, помещенным в динамическую память. Поскольку запрос о блоке памяти получен, программа управления динамической областью первые проверки свободный список и если программа управления динамической областью не может найти свободные блоки памяти, вызывается обработка исключений, как только система имеет простой в течение достаточного периода времени. В случаях, когда приложения очень интерактивны и время простоя системы сведено к минимуму, обработку исключений нужно вызвать явно приложением.
Коллектор исключений вызывает завершающийся метод прежде, чем с помощью обработки исключений собирается образец объекта. Завершающийся метод используется чтобы очистить внешние ресурсы подобно файлам и потокам, которые являются открытыми и о которых не позаботились в стандартной обработке исключений. Даже если мы явно вызываем обработку исключений методом (System.gc ()), это не будет работать быстро. Это просто намечено для того, чтобы работать. Также это означает, что обработка исключений не может быть вызвана. Это объясняется тем, что потоки обработки исключений выполняются в очень низком приоритете и могут часто прерываться. Это может случиться, когда наш объект никогда не располагался ранее в памяти.
JVM является ключевым компонентом платформы Java. Виртуальная машина Java интерпретирует и исполняет Байт-код Java, предварительно созданный из исходного текста Java-программы компилятором Java (javac).
Так как виртуальные машины Java доступны для многих аппаратных и программных платформ, Java может рассматриваться и как связующее программное обеспечение, и как самостоятельная платформа, отсюда принцип «написано однажды, запускается везде» (write once, run anywhere). Использование одного байт-кода для многих платформ позволяет описать Java как «скомпилировано однажды, запускается везде» (compile once, run anywhere).
Программы, предназначенные для запуска на JVM должны быть скомпилированы в стандартизированном переносимом двоичном формате, который обычно представляется в виде файлов.class. Программа может состоять из множества классов, размещенных в различных файлах. Для облегчения размещения больших программ, часть файлов вида.class могут быть упакованы вместе в так называемый.jar файл (сокращение от Java Archive).
Виртуальная машина JVM исполняет файлы .class или .jar , эмулируя инструкции, написанные для JVM, путем интерпретирования или использования just-in-time компилятора (JIT), такого, как HotSpot от Sun microsystems. В наши дни JIT компиляция используется в большинстве JVM в целях достижения большей скорости. Существуют также ahead-of-time компиляторы, позволяющие разработчикам приложений прекомпилировать файлы классов в родной для конкретной платформы код.
JVM, которая является экземпляром JRE (Java Runtime Environment), вступает в действие при исполнении программ Java. После завершения исполнения, этот экземпляр удаляется сборщиком мусора. JIT является частью виртуальной машины Java, которая используется для ускорения времени выполнения приложений. JIT одновременно компилирует части байт-кода, которые имеют аналогичную функциональность, и, следовательно, уменьшает количество времени, необходимого для компиляции.
JVM является стековой машиной. Это означает, что в ней нет регистров общего назначения, и операции производятся над данными, находящимися в стеке. Этой цели служит стек операндов, выделяемый в составе каждого кадра. При выполнении команд байт-кода Java, изменяющих данные, операнды таких команд выбираются из стека операндов, в тот же стек помещаются и результаты выполнения команд.
Среда выполнения метода содержит информацию, необходимую для динамического связывания, возврата из метода и обработки исключений. Код класса (размещенный в области класса) обращается к внешним методам и переменным, используя символические ссылки. Динамическая компоновка переводит символические ссылки в фактические. Среда выполнения содержит ссылки на таблицу символов метода, через которую производятся обращения к внешним методам и переменным.
В среде выполнения содержится также информация, необходимая для возврата из метода: указатель на кадр вызывающего метода, значение регистра pc для возврата, содержимое регистров вызывающего метода и указатель на область для записи возвращаемого значения.
Информация обработки исключений содержит ссылки на секции обработки исключений в методе класса.
Через среду выполнения также происходят обращения к данным, содержащимся в области класса, в том числе, к константам и к переменным класса.
Команды JVM состоят из однобитного кода операции, а также могут содержать операнды. Число и размер операндов определяются кодом операции, некоторые команды не имеют операндов
Дизайн JVM разрабатывался на основе многолетнего опыта программирования на таких языках как С и С++. Это позволило создать такую структуру JVM, которая сделала жизнь программиста значительно легче:
Последний аспект позволяет JVM принимать более оптимальные решения при выполнении программы, основываясь на том как часто вызываются некоторые её блоки. Собственно виртуальная машина интерпретирует байт код скомпилированной джава программы, однако в JVM существует возможность компилировать часто вызываемые блоки программы в машинный код в рантайме. Эта технология называется Jast-in-time (JIT). Это не значит что машинный код сохранится в файл программы, он будет существовать только во время её выполнения в оперативной памяти. Таким образом производительность джава программы, после нескольких циклов работы, может стать выше чем у аналогичных программ компилируемых языков C и C++.
Что такое байткод?
Когда разработчики впервые знакомятся с JVM, они иногда думают о ней как о компьютере внутри компьютера. Поэтому можно легко представлять байткод как машинный код для процессора внутреннего компьютера или машинный код для выдуманного процессора.
Фактически байткод не очень похож на машинный код который будет запущен на реальном процессоре. Специалисты называют байткод промежуточным представлением, адаптацией между исходным кодом и машинным кодом.
Конечная цель байткода иметь такой формат представления данных и управляющей информации, что бы быть эффективно исполненным JVM.
Почему его назвали байткодом?
Код инструкции (opcode код операции) это только один байт (некоторые операции имеют параметры которые следуют за байтом операции в виде потока байт), таким образом существует только 256 вариантов инструкций. На практике некоторые не используются, остаётся примерно 200 используемых, но некоторые из них не были задействованы в последней версии javac.
Является ли компилятором javac?
Обычно компилятор создаёт машинный код, а javac создаёт байткод, непохожий на машинный код. Однако class файлы немного похожи на объектные файлы (как в Windows *.dll или Unix *.so) и являются нечитабельными.
В терминах компьютерных наук, javac наиболее похож на компилятор переднего плана, который создаёт промежуточное представление программного кода, из которого затем может быть создан машинный код.
Таким образом в чистом виде javac не компилятор, однако в большинстве книг и статей можно увидеть такие словосочетания - компилятор исходного кода или javac компилятор. А собственно компиляцией занимается JIT, когда создаёт машинный код для оптимизации выполнения программы.
Является ли байткод оптимизированным?
Ранние версии javac создавали сильно оптимизированный байткод. Это оказалось ошибочным. С появлением JIT компиляции более важным стало быстрое получение машинного кода. Поэтому оказалось, что нужно создавать такой байткод, который бы легко компилировался JIT. Поэтому сейчас имеется компромисс между оптимальностью байткода и быстротой его JIT компиляции. В свою очередь некоторая часть байткода продолжает оставаться интерпретируемой.
Является ли байткод действительно машинно независимым? Как на счёт порядка байт?
Формат байт кода всегда один и тот же, не важно на какой машине он был создан, это всегда big-endian (от старшего разряда к младшему). Например целое число занимающее в памяти 4 байта, хранится там побайтно от старших разрядов к младшим.
Является ли джава интерпретируемым языком?
По существу JVM это интерпретатор (с JIT компиляцией, которая даёт прирост производительности). Собственно исходный код джава не поступает интерпретатору на исполнение, он компилируется в байткод, а уже байт код интерпретируется JVM.
Могут ли другие языки выполнятся на JVM?
Всё что компилируется в байткод, может быть выполнено на JVM. Примеры таких языков - Scala, Clojure, Kotlin и т.д.
Кроме того, есть возможность реализовать интерпретатор некоторого языка на джава. Как это сделано, например, для языка JRuby.
Чтобы увидеть байт код, достаточно открыть файл.class в простом текстовом редакторе. Он окажется явно не читабельным. Однако у нас есть возможность дизассемблировать его в мнемоники байткода, то есть в элементарные команды (которые можно прочитать) и данные.
Рассмотрим простую программу складывающую два числа.
Public class Main { /** * Метод складывающий два числа. * @param a первое слагаемое * @param b второе слагаемое * @return результат сложения двух чисел. */ private static int adding(int a, int b) { return a + b; } /** * Точка входа в программу. * @param args неиспользуемые параметры командной строки. */ public static void main(String args) { // первое слагаемое int x = 43; // второе слагаемое int y = 56; // сложение значений двух переменных и помещение // результата в переменную. int result = adding(x, y); // вывод на экран значения переменной result. System.out.println(result); } }
Для удобства, можно создать пустой проект в Idea, и поместить этот класс в папку src.
Запустите его на исполнение. Idea скомпилирует его, естественно используя для этого javac, создаст файл Main.class и запустит его на исполнение. Проверим что у нас всё получилось, в консоли должна появится сумма чисел.
Затем перейдём в терминале в папку вашего проекта, а затем в папку где должен быть создан файл class. Это должно быть в папке out/production.
Для дизассемблирования запустите следующую команду, а в качестве параметра передайте скомпилированный класс:
Javap -c -p Main.class
С - дизассемблирование,
-p - вывод информации о всех членах класса.
В терминале мы должны получить следующее:
Public class org.dart.Main {
public org.dart.Main();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."
Здесь можно увидеть много интересного, даже код который мы явно сами не писали. Например метод:
Public org.dart.Main();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."
Это не обычный метод, это конструктор. Он добавился автоматически при компиляции. Почему он добавляется это отдельная история.
Обратите внимание, кажется что нумерация строк кода внутри методов идёт не по порядку. Это не совсем так. Она учитывает длину параметров от которых зависят некоторые операции.
Рассмотрим метод складывающий два числа, с помощью комментариев поясним смысл операций:
Private static int adding(int, int); Code: 0: iload_0 // загрузка первого целого числа из параметра в стек 1: iload_1 // загрузка второго целого числа из параметра в стек 2: iadd // сложение двух чисел из стека и помещение результата в стек 3: ireturn // возвращение целого числа из метода
В данном случае все операции занимают строго по одному байту.
Со списком операций можно познакомится по этой ссылке:
список инструкций Java байткода
Из набора таких операции и их параметров состоит любая программа скомпилированная javac. В свою очередь JVM, при запуске программы, начинает интерпретировать команды, превращая некоторые блоки программы в машинный код с помощью JIT технологии.
Для эксперимента, можно посмотреть какой код получится для разных операций с разными типами данных. Так же можно проверить сколько байт будет отдаваться под данные для чисел превышающих один байт, то есть больших чем 255.
What is JVM?
JVM is a engine that provides runtime environment to drive the Java Code or applications. It converts Java bytecode into machines language. JVM is a part of JRE(Java Run Environment). It stands for Java Virtual Machine
In this tutorial, you will learn-
1) ClassLoader
The class loader is a subsystem used for loading class files. It performs three major functions viz. Loading, Linking, and Initialization.
2) Method Area
JVM Method Area stores class structures like metadata, the constant runtime pool, and the code for methods.
All the Objects, their related instance variables, and arrays are stored in the heap. This memory is common and shared across multiple threads.
4) JVM language Stacks
Java language Stacks store local variables, and it’s partial results. Each thread has its own JVM stack, created simultaneously as the thread is created. A new frame is created whenever a method is invoked, and it is deleted when method invocation process is complete.
5) PC Registers
PC register store the address of the Java virtual machine instruction which is currently executing. In Java, each thread has its separate PC register.
6) Native Method Stacks
Native method stacks hold the instruction of native code depends on the native library. It is written in another language instead of Java.
7) Execution Engine
It is a type of software used to test hardware, software, or complete systems. The test execution engine never carries any information about the tested product.
8) Native Method interface
The Native Method Interface is a programming framework. It allows Java code which is running in a JVM to call by libraries and native applications.
9) Native Method Libraries
Native Libraries is a collection of the Native Libraries(C, C++) which are needed by the Execution Engine.
In order to write and execute a software program, you need the following
1) Editor – To type your program into, a notepad could be used for this
2) Compiler – To convert your high language program into native machine code
3) Linker – To combine different program files reference in your main program together.
4) Loader – To load the files from your secondary storage device like Hard Disk, Flash Drive, CD into RAM for execution. The loading is automatically done when you execute your code.
5) Execution – Actual execution of the code which is handled by your OS & processor.
With this background, refer the following video & learn the working and architecture of the Java Virtual Machine.
To understand the Java compiling process in Java. Let"s first take a quick look to compiling and linking process in C.
Suppose in the main, you have called two function f1 and f2. The main function is stored in file a1.c.
Function f1 is stored in a file a2.c
Function f2 is stored in a file a3.c
All these files, i.e., a1.c, a2.c, and a3.c, is fed to the compiler. Whose output is the corresponding object files which are the machine code.
The next step is integrating all these object files into a single .exe file with the help of linker. The linker will club all these files together and produces the .exe file.
During program run, a loader program will load a.exe into the RAM for the execution.
Let"s look at the process for JAVA. In your main, you have two methods f1 and f2.
The compiler will compile the three files and produces 3 corresponding .class file which consists of BYTE code. Unlike C, no linking is done .
The Java VM or Java Virtual Machine resides on the RAM. During execution, using the class loader the class files are brought on the RAM. The BYTE code is verified for any security breaches.
Next, the execution engine will convert the Bytecode into Native machine code. This is just in time compiling. It is one of the main reason why Java is comparatively slow.
NOTE: JIT or Just-in-time compiler is the part of the Java Virtual Machine (JVM). It interprets part of the Byte Code that has similar functionality at the same time.
A compiler is a program which converts a program from one level of language to another. Example conversion of C++ program into machine code.
The java compiler converts high-level java code into bytecode (which is also a type of machine code).
An interpreter is a program which converts a program at one level to another programming language at the same level. Example conversion of Java program into C++
In Java, the Just In Time Code generator converts the bytecode into the native machine code which are at the same programming levels.
Hence, Java is both compiled as well as interpreted language.
The two main reasons behind the slowness of Java are
However, the latest version of Java has addressed the performance bottlenecks to a great extent.
Summary :
