基于MIPS指令集的Linux系统与基于X86指令集的Linux系统有什么区别

MIPS16是一个1997年面世的可选的指令集扩展，它能减少二进制程序尺寸的30-40%。实现者希望这种CPU能够在很关心代码尺寸的场合中更有吸引力--这种场合通常就是指低成本系统。由于只应用于特定实现，它是一个多厂商标准：LSI, NEC和Philips都生产支持MIPS16的CPU。

使MIPS二进制代码比其他架构的并不是MIPS指令集干的活少了, 而是他们的尺寸更大一些--每个指令4字节长，相比之下某些CISC架构一般平均只有3个字节。

MIPS增加了一种模式，在这种模式下CPU可以对16位固定大小的指令进行解码。大多数MIPS16指令扩展成正常的MIPS III指令，所以很明显这将是一个相当受限制的指令子集。窍门就在于使这个子集对足够多的程序充分的进行高效编码，以使整个程序的大小得到大大的压缩。

当然，16位指令并不会使其变成一个16位指令集。MIPS16 CPU是实际存在的带有32位或者64位寄存器的的CPU，MIPS16 CPU的运算也都在这些寄存器上。

MIPS16远不是一个完整的指令集—例如它既没有CPU控制指令，也没有浮点运算指令。但没有关系，因为每一个MIPS16 CPU也必须要运行完整的MIPS ISA。你能运行MIPS16和正常的MIPS代码的混合指令。每个函数调用或者跳转-寄存器指令都能改变运行模式。

1．并不是MIPS发明了提供一种可选的使部分指令只有一半大小的创意。Advanced RISC Machine（ARM）公司的Thumb版本的arm CPU首先提出这个想法的。

在MIPS16中把指令地址编码成最低有效位(Least Significant Bit, LSB)模式是既方便又高效的。MIPS16指令必须偶字节对齐，所以bit 0不再是指令指针(instruction pointer, 就是程序计数器PC)的组成部分了；取而代之的是，每条跳到奇数地址的指令开始执行MIPS16，每条跳到偶数地址的指令回到正常的MIPS。MIPS子程序调用指令jal的目标地址总是字对齐的，所以新指令jalx隐藏了指令的模式间转换。

为了把指令压缩到一半大小，对于大多数指令我们只分配了3 bit来选择寄存器，这样只有8个通用寄存器允许自由访问；在许多MIPS指令中可以见到的16 bit常数域也被压缩，通常变成了5 bit。许多MIPS16指令只指明两个寄存器，而不是三个。另外，还有一些特别的编码规则将在下一节描述。

D.1.1 MIPS16中的特殊编码格式和指令

被缩减的通用指令没有什么问题，但有两个特定的弱点会加大程序尺寸；5 bit的立即数域构造常量是不够的，在load/store *** 作中也没有足够的地址范围。三种新的指令和一种特别规定有助于解决这些问题。

extend是一条特殊的MIPS16指令，它由5 bit的代码和11 bit的域构成。这个11 bit的域可以和后续指令中的立即数域相连接，这样就允许使用一个指令对来对16 bit立即数编码。这条指令在汇编语言中看起来就像一个指令前缀。

装载(load)常量在正常的MIPS模式下都需要额外的指令，在MIPS16模式下更是巨大的负担；把常量放在内存中然后再读它们会更快一些。MIPS16对相对于指令自身位置的装载 *** 作(PC-relative loads， PC相关装载)增加了支持，允许常量被嵌到代码段中(典型情况就是在函数的起始处前面)。这些是仅有的不是严格对应于正常的MIPS指令的MIPS16指令—MIPS没有PC相关的数据 *** 作。

许多MIPS load/store *** 作是直接在栈帧(stack frame)里，$29/mp可能是最普通的基寄存器。MIPS16定义了一组隐式使用mp的指令，允许我们把函数的栈帧引用地址也编进去而不需要一个分离的寄存器域。

MIPS的Load指令总是生成32位的全地址。由于装载字(load word)指令只有当地址是4的倍数是才合法，最低两位就被浪费了。MIPS16的Load指令是可以伸缩的：地址的偏移量会根据被load/store的对象的大小左移，这样就增加了指令中可用的地址范围。

作为一种额外的应急机制，MIPS16定义了一些指令，允许在8个MIPS16可访问的的寄存器中的一个与32个MIPS通用寄存器中的任何一个间任意做数据移动。

D.1.2 对MIPS16的评价

MIPS16对于汇编语言编程来说不是一种合适的语言，我们也不准备对它详细说明。这些是编译器的工作。大多数使用MIPS16模式编译的程序的尺寸都会缩小到用MIPS模式编译的 60-70%。MIPS16比32位CISC架构的代码更紧凑，和arm的Thumb代码差不多，和纯16位CPU相比相当有竞争力。

但是没有免费的午餐；MIPS16程序可能比MIPS增加40-50%的指令。这意味着在CPU核上运行一个程序会多用40-50%的时钟周期。但是低端CPU经常主要被存储器所限制，而不是被CPU核所限制。较小的MIPS16程序需要较低的带宽来取指令，这样就得到更低的cache缺失率。在cache很小并且程序的存储器有限时，MIPS16将会弥补差距，还有可能要重新改写正常的MIPS代码。

由于性能的降低，MIPS16代码在有大的存储器资源和很宽总线的计算机中没有吸引力。这就是为什么它只是一种可选扩展的原因。

在应用范围的另一端, MIPS16将会与软件压缩技术展开竞争。在放进ROM存储器之后，使用通常的文件压缩算法压缩的正常MIPS程序将会比未压缩的同等MIPS16代码小，而稍大于压缩过的MIPS16同等代码(注1)；如果你的系统拥有足够的内存能够把ROM当做文件系统使用，而把代码解压缩到RAM中执行，那么全ISA软件解压很可能会带来更好的总体性能。

也有这样一种趋势来构造系统，那就是大量使用以字节编码的解释语言(Java或者它的后续者)来书写大量在时间上要求不严格的程序。那种中间代码非常小，在尺寸方面比任何二进制机器码都高效的多。如果只有解释器和一些对性能要求严格的程序留在机器中ISA中，那么更密集的指令集编码格式将只会影响程序的一小部分。当然解释器(特别是Java)本身会非常大，但是应用复杂度的无情增长将很快使它减少重要性。

我预料在1998-2003年将会看到MIPS16小范围的应用于低能量、小尺寸和成本受限制的系统中。它还是值得发明的，因为有些系统—比如”智能”移动电话—可能会大量生产。

1．更密集的编码格式在使用上比压缩算法有更低的冗余度。

D.2 MIPSV/MDMX

MIPS V和MDMX是在1997年早些时候一起公布的。它们本来是为一种新的准备在1998年发布MIPS/SGI的CPU中的指令而设计的。但是那个CPU后来被取消了，关于它们的未来存在疑问。

二者都是为了克服一些已知的传统指令集的不足，这些不足是在ISA面向多媒体应用中产生的。象软调制解调器的语音编/解码、或流媒体应用、或图像/视频的压缩/解压缩这样的任务采用一些过去只有专用数字信号处理器(digital signal processor, DSP)才用的数学算法。在这种计算等级，多媒体任务通常都包括重复进行一些对大向量或者数组数据的相同 *** 作。

在基于寄存器的机器内部，通常采用的方案是把多媒体数据项封装到一个机器寄存器中，然后执行一条寄存器-寄存器指令，这条指令对于每个寄存器中的每个域做同样的工作。这是一种非常明显的并行处理形式，被称为单指令，多数据(single instruction, multiple data. SIMD)。

这个想法首先见于一款Intel的业已消失的i860架构的微处理器(circa 88)中。作为对Intel x86指令集进行扩展的MMX在1996年投放市场后，SIMD重新登场时更加引人注目。

MDMX对 *** 纵在一个64位寄存器中8x8-bit的整数组提供了一组 *** 作，这些 *** 作能够对所有的8小片做同样的事情。这些指令包括通常的算术 *** 作(加，减，乘)，也有乘法-累加指令能把结果放在一个巨大的累加器中，这个累加器有足够的精度防止溢出。

由于这些指令被用于特定数据类型被相当清楚的从正常的程序变量分离开来的场合中，MDMX指令集与浮点寄存器一起工作就变得有意义。以这种方式重复利用现有的寄存器意味着现有的 *** 作系统不需要改变(在任务切换时 *** 作系统已经保存和恢复浮点寄存器了)。

与MDMX相似，Intel的MMX为封装进一个64bit的8个8bit数提供了”octibyte”八路(eight-way)指令。MIPS MDMX也定义了4x16位(四个短整数 *** 作)和2x32位(两个字 *** 作)格式，但是早期的情况是一些MDMX实现可能认定octibyte格式和指令足够了。

当对8bit的数做算术运算时, 结果经常下溢和上溢。如果我们必须为众多的溢出测试条件编写处理程序，那么多媒体应用的性能将不会得到提高。而只简单截去最大的和最小的数(对于无符号8-bit数来说，就是255和0)的上溢和下溢结果，对于机器运算来说会更加有帮助。这个处理过程叫做”饱和”(saturating)算法。MDMX拥有这种能力。

这就给我们带来了MIPS V。尽管从名字上看好像意思是指一个升级的指令集--就像MIPS I到IV那样，MIPS V在浮点领域跟MDMX很相似，提供了paired-single *** 作。paired-single对一对被封装进64-bit的浮点寄存器中的单精度数做两次FP动作。

MIPS V没有MDMX那么古怪；MIPS IV包含了一个相当广泛的浮点运算集合，并且直接为其中的绝大部分提供了paired-single版本的指令；甚至成对比较(paired-compare)也可以做到，这是因为MIPS IV的CPU已经有了多个浮点条件位来接收结果。但MIPS V没有提供复杂多周期指令的成对 *** 作版本的指令，这些多周期指令会需要非常多新的资源(例如没有求平方根和除法)。

D.2.1 编译器能用多媒体指令吗？

引入SIMD多媒体指令的原因和70年代晚期以前在超级计算机中提供向量处理单元的原因相似。很容易为向量处理器构造一个手工矩阵算术包。而用向量运算来编译一个用高级语言写成的程序就难得多了，尽管超级计算机提供商在这上面也取得一些成果。通常这些成果都集中在Fortran上；对于常规编程来说语义上的弱点使Fortran成为一种可怜的语言，但是这让它变成了一种很容易优化的语言

汇编语言和机器语言是一一对应的关系，所以有什么CPU架构就有什么汇编语言，比如x86架构的就是x86汇编，ARM架构的CPU对应于ARM汇编，MIPS架构的CPU对应于MIPS汇编。

CPU根据总线宽度可以分8位，16位，32位，64位等，所以相应的就有8位汇编，16位汇编，32位汇编等。

CPU的每一次升级换代基本都会提供一些上一代CPU不支持新的指令集，相应的也会按代来称呼，如8086汇编，80386汇编等等，因位每一代都是向下兼容的，所以现在的i3，i5依然能够执行古老的8086汇编。

至于宏汇编是微软的产品MASM开始的，英文全称是Macro Assembler,Macro就是"宏"的意思，它提供了一些宏指令，用来替代一些多次重复使用的程序段，简化程序的设计。

虚拟机的概念比较宽泛，通常人们接触到的虚拟机概念有VMware那样的硬件模拟软件，也有JVM这样的介于硬件和编译程序之间的软件。这里所指的是后者。

虚拟机是一个抽象的计算机，和实际的计算机一样，具有一个指令集并使用不同的存储区域。它负责执行指令，还要管理数据、内存和寄存器。这台虚拟的机器在任何平台上都提供给编译程序一个的共同的接口。编译程序只需要面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。

Java虚拟机

一、什么是Java虚拟机

Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

1.为什么要使用Java虚拟机

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

2.谁需要了解Java虚拟机

Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外,如果你想扩展Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地了解Java虚拟机。

3.Java虚拟机支持的数据类型

Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:

byte://1字节有符号整数的补码

short://2字节有符号整数的补码

int://4字节有符号整数的补码

long://8字节有符号整数的补码

float://4字节IEEE754单精度浮点数

double://8字节IEEE754双精度浮点数

char://2字节无符号Unicode字符

几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。 *** 作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了 *** 作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其 *** 作数类型别是int、long、float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令,包括integer返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行Java数值计算程序时,可能会非常慢。

虚拟机支持的其它数据类型包括:

object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用

returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

注:Java数组被当作object处理。

虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可

移植性。

二、Java虚拟机体系结构

Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。

1.Java指令集

Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。

Java指令集中的指令包含一个单字节的 *** 作符,用于指定要执行的 *** 作,还有0个或多个 *** 作数,提供 *** 作所需的参数或数据。许多指令没有 *** 作数,仅由一个单字节的 *** 作符构成。

虚拟机的内层循环的执行过程如下:

do{

取一个 *** 作符字节

根据 *** 作符的值执行一个动作

}while(程序未结束)

由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中 *** 作数的数量和大小是由 *** 作符决定的。如果 *** 作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为:

第一个字节*256+第二个字节字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tabltch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。

2.寄存器

Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。

Java虚拟机的寄存器有四种:

pc:Java程序计数器。

optop:指向 *** 作数栈顶端的指针。

frame:指向当前执行方法的执行环境的指针。

vars:指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。

Java虚拟机

Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。

所有寄存器都是32位的。

3.栈

Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、 *** 作数区。

(1)局部变量区 每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到 *** 作数栈的指令,也提供了把 *** 作数栈中的值写入局部变量的指令。

(2)运行环境区 在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。

·动态链接

运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。

·正常的方法返回

如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。

·异常和错误传播

异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用

·程序使用了throw语句。

当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:

·检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。

·与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的catch子句都被检查过。

·由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。

·如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。

(3) *** 作数栈区 机器指令只从 *** 作数栈中取 *** 作数,对它们进行 *** 作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。 *** 作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持 *** 作的参数,并保存 *** 作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是 *** 作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈d出、相加,并把结果压回到 *** 作数栈中。

每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的 *** 作。每个 *** 作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。 *** 作数只能被适用于其类型的 *** 作符所 *** 作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数 *** 作( *** 作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行 *** 作时是不考虑类型的。

4.无用单元收集堆

Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集能力:它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。

5.方法区

方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中,方法代码不包括在无用单元收集堆中,但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun公司的Java虚拟机规范。

回答者： 笑叹沧桑 - 举人 四级 12-15 22:27

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虚拟机的概念比较宽泛，通常人们接触到的虚拟机概念有VMware那样的硬件模拟软件，也有JVM这样的介于硬件和编译程序之间的软件。这里所指的是后者。

虚拟机是一个抽象的计算机，和实际的计算机一样，具有一个指令集并使用不同的存储区域。它负责执行指令，还要管理数据、内存和寄存器。这台虚拟的机器在任何平台上都提供给编译程序一个的共同的接口。编译程序只需要面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。

Java虚拟机

一、什么是Java虚拟机

Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

1.为什么要使用Java虚拟机

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

2.谁需要了解Java虚拟机

Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外,如果你想扩展Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地了解Java虚拟机。

3.Java虚拟机支持的数据类型

Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:

byte://1字节有符号整数的补码

short://2字节有符号整数的补码

int://4字节有符号整数的补码

long://8字节有符号整数的补码

float://4字节IEEE754单精度浮点数

double://8字节IEEE754双精度浮点数

char://2字节无符号Unicode字符

几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。 *** 作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了 *** 作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其 *** 作数类型别是int、long、float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令,包括integer返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行Java数值计算程序时,可能会非常慢。

虚拟机支持的其它数据类型包括:

object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用

returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

注:Java数组被当作object处理。

虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。用Java虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可

移植性。

二、Java虚拟机体系结构

Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。

1.Java指令集

Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。

Java指令集中的指令包含一个单字节的 *** 作符,用于指定要执行的 *** 作,还有0个或多个 *** 作数,提供 *** 作所需的参数或数据。许多指令没有 *** 作数,仅由一个单字节的 *** 作符构成。

虚拟机的内层循环的执行过程如下:

do{

取一个 *** 作符字节

根据 *** 作符的值执行一个动作

}while(程序未结束)

由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中 *** 作数的数量和大小是由 *** 作符决定的。如果 *** 作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为:

第一个字节*256+第二个字节字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tabltch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。

2.寄存器

Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。

Java虚拟机的寄存器有四种:

pc:Java程序计数器。

optop:指向 *** 作数栈顶端的指针。

frame:指向当前执行方法的执行环境的指针。

vars:指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。

Java虚拟机

Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。

所有寄存器都是32位的。

3.栈

Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、 *** 作数区。

(1)局部变量区 每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到 *** 作数栈的指令,也提供了把 *** 作数栈中的值写入局部变量的指令。

(2)运行环境区 在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。

·动态链接

运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。

·正常的方法返回

如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。

·异常和错误传播

异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用

·程序使用了throw语句。

当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:

·检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。

·与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的catch子句都被检查过。

·由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。

·如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。

(3) *** 作数栈区 机器指令只从 *** 作数栈中取 *** 作数,对它们进行 *** 作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。 *** 作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持 *** 作的参数,并保存 *** 作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是 *** 作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈d出、相加,并把结果压回到 *** 作数栈中。

每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的 *** 作。每个 *** 作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。 *** 作数只能被适用于其类型的 *** 作符所 *** 作。例如,压入两个int类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数 *** 作( *** 作符dupe和swap),用于对运行时数据区进行 *** 作时是不考虑类型的。

4.无用单元收集堆

Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java语言具有无用单元收集能力:它不给程序员显式释放对象的能力。Java不规定具体使用的无用单元收集算法,可以根据系统的需求使用各种各样的算法。

5.方法区

方法区与传统语言中的编译后代码或是Unix进程中的正文段类似。它保存方法代码(编译后的java代码)和符号表。在当前的Java实现中,方法代码不包括在无用单元收集堆中,但计划在将来的版本中实现。每个类文件包含了一个Java类或一个Java界面的编译后的代码。可以说类文件是Java语言的执行代码文件。为了保证类文件的平台无关性,Java虚拟机规范中对类文件的格式也作了详细的说明。其具体细节请参考Sun