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JVM是如何与操作系统交互的

引言

在之前的文章,我们介绍了类加载的过程以及类加载器和双亲委派模型 那么我们的应用程序被加载到JVM中之后,操作系统是如何去与JVM虚拟机交互来执行我们应用程序中的逻辑的呢? 答案就是大名鼎鼎的CPU,全称是Central Processing Unit,也就是中央处理器。 那么CPU在操作系统中起到了什么样的作用呢?

CPU的组成以及工作原理

CPU由主要由控制器和运算器两部分组成。

  • 其中控制器中程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、时序发生器、操作控制器组成,他们的主要功能为:
    1. 从主存中取出一条指令,并指出吓一跳指令在主存中的位置;
    2. 对指令进行译码,并产生相应的操作控制信号;
    3. 指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之前的数据流动;
  • 运算器由算数逻辑单元(ALU)、累加寄存器(AC)、数据寄存器(DR)和程序状态寄存器(PSW)组成,主要功能为:
    1. 执行所有的算术运算;
    2. 执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试;

非常的枯燥无味,说人话就是:CPU会根据程序计数器所指示的位置,从主存中取出数据,寄存至数据寄存器,然后CPU从数据寄存器中取出指令,放入指令寄存器,并对指令译码。将指令分解成一系列的微操作,然后发出控制命令,执行这一系列微操作,从而完成一条指令的执行。

JVM是如何与操作系统交互的?

在前面的文章中我们说过,Java的跨平台的特性是基于JVM虚拟机能够将Java代码编译后的字节码(.class)文件转译为对应的机器所能识别的机器码。

public class ByteCodeTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello world");
    }
}
复制代码

通过javac编译后使用javap -verbose命令即可查看到该类的字节码 以下是System.out.println("Hello world")的对应的字节码

0: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #13                 // String Hello world
5: invokevirtual #15                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
复制代码

虚拟机将以上字节码通过解释器解释成汇编指令,最终由硬件转译为CPU能识别的机器指令。

  1. java命令执行后,虚拟机启动,将class文件加载到虚拟机由于该类包含了main方法,JVM类加载机制在之前的文章JVM内存模型中的初始化部分中讲过,包含main方法的类,会在虚拟机启动时过程中触发初始化的动作,那么该类中的信息就会被我们按照JVM内存模型的规则存入相对应的内存区域
    • 我们暂且先把它理解为单纯的一块内存区域。JVM虚拟机暂时理解为运行在操作系统之上的一个虚拟电脑,操作系统为这个虚拟电脑分配CPU、内存等资源,而此时JVM虚拟机也可以称之为操作系统的一个进程。
  2. 在虚拟机启动之后,此时的虚拟机我们可以将其理解为一段可执行的指令集合,同时虚拟机作为操作系统的一个进程,操作系统为其分配类内存和CPU资源,其中保存着当前执行的指令,变量值等信息,这也可以称为进程的上下文。
  3. 此时CPU在多个上下文(多个进程/多个线程)切换执行指令,此时的上下文可能来自于系统调度,也可能来自于用户程序,也就会产生用户态和内核态之前的切换。

本文总结

  1. java命令执行后,相当于在操作系统中启动了一个JVM进程,虚拟机启动,将class文件通过类装载器加载到虚拟机的内存区域,然后通过JVM将字节码解释为汇编语言(对应操作系统的相关函数),等待被调用。
  2. CPU通过JVM,获取到需要执行的汇编指令,CPU获取到汇编指令后通过硬件解码为机器所能识别的机器码,然后执行其机器码。

相关问题

什么是CPU Cache、Cache Line、MESI?

什么是用户态和内核态?

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