JVM与字节码-java虚拟机的平台无关性和语言无关性

本文大量借鉴了周志明先生的著作《深入理解java虚拟机：JVM高级特性》以及网上相当多优秀的资料和见解。

无关性

平台无关性

cpu（指令集）、操作系统的多样化是现实，在可预见的未来也不会改变，那么如何让编程语言实现平台无关性？例如在windows写的代码在linux上运行，这个需要应该说相当现实，大部分程序员的工作界面应该都是windows或者mac，但linux在服务器端又占据了主流。在计算机领域，任何一个问题都可以通过引入中间层来解决。

java一开始的设计初衷就是write once,run anywhere，而这一切依赖于字节码和java虚拟机。
通常情况下，开发人员在windows上安装了x86版本的jdk(java development kit)，jdk包含了jre(java runtime environment)，java虚拟机就属于jre的一部分，那么开发并发布一个程序的过程就是如下:

1. 在windows上通过IDE/文本编辑器编写代码，得到.java文件；
2. 通过IDE或者jdk/bin下javac命令编译源代码，得到.class文件即字节码；

3. 通过IDE调试/运行或者jdk/bin下java命令运行.class文件，此时windows启用一个jvm进程，这个jvm是windows本机安装的jvm，它负责把字节码解释翻译成windows能直接运行的机器码。

   graph TD
    A[源代码] -->|编译| B(class字节码文件)
    B --> |解释|C(机器码)
    C -->|运行| D[cpu中的指令]

我们可以看到解决java语言平台无关性问题的关键就是引入通用的class文件和平台相关的jvm。

class文件规范从第一个版本至今，变化其实很少，而且大部分是利用已有的设计做了扩展，相比之下jvm的发展变化要更多而快。发展至今出现了众多的产品，其中我们最常用的是hotspot，可以通过java -version看到，有一些是商用的，有一些是开源的，不同的jvm都遵从了jvm规范设计，但在内存区域抽象划分、GC时的垃圾收集器等具体实现方面有所不同，从而使用不同的使用场景，众多的java平台贡献者和使用者针对jvm的研究和优化付出了大量心血让java持续成为最流行的编程语言之一。花费这么多心思搞的这么牛逼的jvm，如果能支持其他编程语言岂不是很好？java的前辈们一开始就把语言无关性纳入了考虑。

语言无关性

java虚拟机的设计在一开始就考虑了跨语言的特性，java虚拟机上运行的是class文件，jvm规范中对class文件的语法、语义做出了约定，这意味着只要一个编程语言最终交付给java虚拟机的是符合jvm规范的class字节码文件，那这个文件就可以在jvm上运行。现如今，像kotlin、clojure等编程语言其实都可以运行在java虚拟机之上。

接下来，看看class文件以及字节码。

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class文件

class文件格式

任何一个Class文件都对应着唯一的一个类或接口的定义信息，但是反过来说，类或接口并不一定都得定义在文件里（譬如类或接口也可以动态生成，直接送入类加载器中）。

Class文件是一组以8个字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在文件之中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据，没有空隙存在。当遇到需要占用8个字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前的方式分割成若干个8个字节进行存储。根据《Java虚拟机规范》的规定，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：“无符号数”和“表”。后面的解析都要以这两种数据类型为基础，所以这里必须先解释清楚这两个概念。

• 无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。
• 表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，为了便于区分，所有表的命名都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上也可以视作是一张表，这张表由表6-1所示的数据项按严格顺序排列构成。
  
  to be continued.