Java Virtual Machine2

Published on December 2016 | Categories: Documents | Downloads: 29 | Comments: 0 | Views: 858
of 6
Download PDF   Embed   Report

Some information on Java Virtual Machine which i searched

Comments

Content

JAVA VIRTUAL MACHINE

What is the Java Virtual Machine? Why is it here?
The Java Virtual Machine, or JVM, is an abstract computer that runs compiled Java programs. The JVM is  "virtual" because it is generally implemented in software on top of a "real" hardware platform and operating system. All  Java programs are compiled for the JVM. Therefore, the JVM must be implemented on a particular platform before  compiled Java programs will run on that platform. 

The JVM plays a central role in making Java portable. It provides a layer of abstraction between the compiled Java  program and the underlying hardware platform and operating system. The JVM is central to Java's portability because  compiled Java programs run on the JVM, independent of whatever may be underneath a particular JVM implementation.  What makes the JVM lean and mean? The JVM is lean because it is small when implemented in software. It was  designed to be small so that it can fit in as many places as possible ­­ places like TV sets, cell phones, and personal  computers. The JVM is mean because it of its ambition. "Ubiquity!" is its battle cry. It wants to be everywhere, and its  success is indicated by the extent to which programs written in Java will run everywhere. 

Java bytecodes
Java programs are compiled into a form called Java bytecodes. The JVM executes Java bytecodes, so Java  bytecodes can be thought of as the machine language of the JVM. The Java compiler reads Java language source (.java)  files, translates the source into Java bytecodes, and places the bytecodes into class (.class) files. The compiler generates one  class file per class in the source. 

To the JVM, a stream of bytecodes is a sequence of instructions. Each instruction consists of a one­byte opcode and  zero or more operands. The opcode tells the JVM what action to take. If the JVM requires more information to perform the  action than just the opcode, the required information immediately follows the opcode as operands.  A mnemonic is defined for each bytecode instruction. The mnemonics can be thought of as an assembly language 

JAVA VIRTUAL MACHINE

for the JVM. For example, there is an instruction that will cause the JVM to push a zero onto the stack. The mnemonic for  this instruction is iconst_0, and its bytecode value is 60 hex. This instruction takes no operands. Another instruction causes  program execution to unconditionally jump forward or backward in memory. This instruction requires one operand, a 16­bit  signed offset from the current memory location. By adding the offset to the current memory location, the JVM can  determine the memory location to jump to. The mnemonic for this instruction is goto, and its bytecode value is a7 hex.

Virtual parts
The "virtual hardware" of the Java Virtual Machine can be divided into four basic parts: the registers, the stack, the  garbage­collected heap, and the method area. These parts are abstract, just like the machine they compose, but they must  exist in some form in every JVM implementation.  The size of an address in the JVM is 32 bits.The JVM can, therefore, address up to 4 gigabytes (2 to the power of  32) of memory, with each memory location containing one byte. Each register in the JVM stores one 32­bit address. The  stack, the garbage­collected heap, and the method area reside somewhere within the 4 gigabytes of addressable memory.  The exact location of these memory areas is a decision of the implementor of each particular JVM.  A word in the Java Virtual Machine is 32 bits. The JVM has a small number of primitive data types: byte (8 bits),  short (16 bits), int (32 bits), long (64 bits), float (32 bits), double (64 bits), and char (16 bits). With the exception of char,  which is an unsigned Unicode character, all the numeric types are signed. These types conveniently map to the types  available to the Java programmer. One other primitive type is the object handle, which is a 32­bit address that refers to an  object on the heap.  The method area, because it contains bytecodes, is aligned on byte boundaries. The stack and garbage­collected  heap are aligned on word (32­bit) boundaries. 

The proud, the few, the registers
The JVM has a program counter and three registers that manage the stack. It has few registers because the bytecode  instructions of the JVM operate primarily on the stack. This stack­oriented design helps keep the JVM's instruction set and  implementation small.  The JVM uses the program counter, or pc register, to keep track of where in memory it should be executing  instructions. The other three registers ­­ optop register, frame register, and vars register ­­ point to various parts of the stack  frame of the currently executing method. The stack frame of an executing method holds the state (local variables,  intermediate results of calculations, etc.) for a particular invocation of the method. 

The method area and the program counter

JAVA VIRTUAL MACHINE

The method area is where the bytecodes reside. The program counter always points to (contains the address of)  some byte in the method area. The program counter is used to keep track of the thread of execution. After a bytecode  instruction has been executed, the program counter will contain the address of the next instruction to execute. After  execution of an instruction, the JVM sets the program counter to the address of the instruction that immediately follows the  previous one, unless the previous one specifically demanded a jump. 

The Java stack and related registers
The Java stack is used to store parameters for and results of bytecode instructions, to pass parameters to and return values  from methods, and to keep the state of each method invocation. The state of a method invocation is called its stack frame.  The vars, frame, and optop registers point to different parts of the current stack frame. There are three sections in a Java stack frame: the local variables, the execution environment, and the operand stack. The  local variables section contains all the local variables being used by the current method invocation. It is pointed to by the  vars register. The execution environment section is used to maintain the operations of the stack itself. It is pointed to by the  frame register. The operand stack is used as a work space by bytecode instructions. It is here that the parameters for  bytecode instructions are placed, and results of bytecode instructions are found. The top of the operand stack is pointed to by  the optop register. The execution environment is usually sandwiched between the local variables and the operand stack. The operand stack of  the currently executing method is always the topmost stack section, and the optop register therefore always points to the top  of the entire Java stack. 

The garbage­collected heap
The heap is where the objects of a Java program live. Any time you allocate memory with the new operator, that memory  comes from the heap. The Java language doesn't allow you to free allocated memory directly. Instead, the runtime  environment keeps track of the references to each object on the heap, and automatically frees the memory occupied by  objects that are no longer referenced ­­ a process called garbage collection. 

Eternal math: a JVM simulation
The applet below simulates a JVM executing a few bytecode instructions. The instructions in the simulation were  generated by the javac compiler given the following java code:  class Act { public static void doMathForever() { int i = 0; while (true) { i += 1;

JAVA VIRTUAL MACHINE

i *= 2; } } } The instructions in the simulation represent the body of the doMathForever() method. These instructions were  chosen because they are a short sequence of bytecodes that do something mildly interesting on the stack. This simulation  stars the registers, the stack, and the method area. The heap is not involved in this bytecode sequence, so it is not shown as  part of the applet's user interface. All numbers in the simulation are shown in hex.  As our story opens, the program counter (pc register) is pointing to an iconst_0 instruction. The iconst_0  instruction is in the method area, where bytecodes like to hang out.  When you press the Step button, the JVM will execute the single instruction that is being pointed to by the program  counter. So, the first time you press the Step button, the iconst_0 instruction, which pushes a zero onto the stack, will be  executed. After this instruction has executed,the program counter will be pointing to the next instruction to  execute.Subsequent presses of the Step button will execute subsequent instructions and the program counter will lead the  way. Pressing the Reset button will cause the simulation to start over at the beginning.  The value of each register is shown two ways. The contents of each register, a 32­bit address, is shown in hex across  the top of the simulation. Additionally, I put a small pointer to the address contained in each register next to the address in  either the stack or the method area. The address contained by the program counter, for example, has a pc> next to it in the  method area.

ADVANTAGES OF JVM A self­contained operating environment that behaves as if it is a separate computer. For example, Java  applets run in a Java virtual machine (VM) that has no access to the host operating system. This design has two 
advantages: 
• •

System Independence: A Java application will run the same in any Java VM, regardless of the hardware and 

software underlying the system. 
Security: Because the VM has no contact with the operating system, there is little possibility of a Java program  damaging other files or applications. 

The second advantage, however, has a downside. Because programs running in a VM are separate from the operating system, they cannot take advantage of special operating system features. 

WHY GARBAGE COLLECTION
The Java virtual machine's heap stores all objects created by a running Java application. Objects are created by the  new, newarray, anewarray, and multianewarray instructions, but never freed explicitly by the code.  Garbage collection is the process of automatically freeing objects that are no longer referenced by the program. 

JAVA VIRTUAL MACHINE

This chapter does not describe an official Java garbage­collected heap, because none exists. As mentioned in earlier  chapters, the Java virtual machine specification does not require any particular garbage collection technique. It doesn't even  require garbage collection at all. But until infinite memory is invented, most Java virtual machine implementations will  likely come with garbage­collected heaps. This chapter describes various garbage collection techniques and explains how  garbage collection works in Java virtual machines.  Accompanying this chapter on the CD­ROM is an applet that interactively illustrates the material presented in the  chapter. The applet, named Heap of Fish, simulates a garbage­collected heap in a Java virtual machine. The simulation­­ which demonstrates a compacting, mark­and­sweep collector­­allows you to interact with the heap as if you were a Java  program: you can allocate objects and assign references to variables. The simulation also allows you to interact with the  heap as if you were the Java virtual machine: you can drive the processes of garbage collection and heap compaction. At the  end of this chapter, you will find a description of this applet and instructions on how to use it. 

Why Garbage Collection?
The name "garbage collection" implies that objects no longer needed by the program are "garbage" and can be  thrown away. A more accurate and up­to­date metaphor might be "memory recycling." When an object is no longer  referenced by the program, the heap space it occupies can be recycled so that the space is made available for subsequent new  objects. The garbage collector must somehow determine which objects are no longer referenced by the program and make  available the heap space occupied by such unreferenced objects. In the process of freeing unreferenced objects, the garbage  collector must run any finalizers of objects being freed.  In addition to freeing unreferenced objects, a garbage collector may also combat heap fragmentation. Heap  fragmentation occurs through the course of normal program execution. New objects are allocated, and unreferenced objects  are freed such that free portions of heap memory are left in between portions occupied by live objects. Requests to allocate  new objects may have to be filled by extending the size of the heap even though there is enough total unused space in the  existing heap. This will happen if there is not enough contiguous free heap space available into which the new object will fit.  On a virtual memory system, the extra paging (or swapping) required to service an ever growing heap can degrade the  performance of the executing program. On an embedded system with low memory, fragmentation could cause the virtual  machine to "run out of memory" unnecessarily.  Garbage collection relieves you from the burden of freeing allocated memory. Knowing when to explicitly free  allocated memory can be very tricky. Giving this job to the Java virtual machine has several advantages. First, it can make  you more productive. When programming in non­garbage­collected languages you can spend many late hours (or days or  weeks) chasing down an elusive memory problem. When programming in Java you can use that time more advantageously  by getting ahead of schedule or simply going home to have a life.  A second advantage of garbage collection is that it helps ensure program integrity. Garbage collection is an 

JAVA VIRTUAL MACHINE

important part of Java's security strategy. Java programmers are unable to accidentally (or purposely) crash the Java virtual  machine by incorrectly freeing memory.  A potential disadvantage of a garbage­collected heap is that it adds an overhead that can affect program  performance. The Java virtual machine has to keep track of which objects are being referenced by the executing program,  and finalize and free unreferenced objects on the fly. This activity will likely require more CPU time than would have been  required if the program explicitly freed unnecessary memory. In addition, programmers in a garbage­collected environment  have less control over the scheduling of CPU time devoted to freeing objects that are no longer needed. 

Sponsor Documents

Or use your account on DocShare.tips

Hide

Forgot your password?

Or register your new account on DocShare.tips

Hide

Lost your password? Please enter your email address. You will receive a link to create a new password.

Back to log-in

Close