newbie-mini-jvm

此项目将试图让工作多年的 Java 程序员通过自己动手写 Java 虚拟机的方式深入理解 JVM 原理。本人在开启这个项目时对于 JVM 也无深入了解，希望在不久的将来可以通过此种方式有所学习。

本人将主要依照 尚硅谷宋红康 JVM 全套教程（详解 java 虚拟机） 视频为基础，并结合 《自己动手写 Java 虚拟机》 来逐步学习与完善。下面是一些编码约定，了解过后我们就可以开始动手了：

• 使用 Java 21 编写代码，JUnit 5 编写单元测试，Maven 作为构建工具
• 所有的核心类都以 mini 开头，表示这是一个迷你版的 JVM

一、前置知识准备

1. JVM 体系结构总览

Java 是一种跨平台的编程语言，JVM 是 Java 的运行时环境，负责执行 Java 字节码。JVM 使得 Java 程序可以在不同的平台上运行，而不需要重新编译。 JVM 实现有很多种，最常用的是 HotSpot JVM（Oracle JDK 和 OpenJDK 使用的 JVM），还有其他实现如 OpenJ9、GraalVM 等。

JVM 体系结构

• 类加载器（Class Loader）：负责加载 Java 类文件，并将其转换为 JVM 可以理解的格式。
• 运行时数据区（Runtime Data Area）：JVM 在运行时使用的内存区域，包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。
• 执行引擎（Execution Engine）：负责执行字节码指令，包括解释器和即时编译器（JIT）。
• 本地接口（Native Interface）：用于与其他编程语言（如 C/C++）进行交互。
• 垃圾回收器（Garbage Collector）：负责自动管理内存，回收不再使用的对象。

2. 字节码执行引擎

把这一章节提前主要是因为我的个人兴趣，对能先实现这一步感到很开心（嗯，也因为这部分在这里只是先实现了指令的映射，相对简单），之后我们将会基于这个“字节码执行引擎”逐步完善我们的 JVM。

我们编写了一个简单的 Java 程序，源码见：HelloStackVM.java （未来我们的目标就是用自己的 JVM 来执行这个 Java 程序。）

然后我们通过 javac 和 javap 命令来查看编译后的字节码指令。

$ javac ./src/main/java/demo/HelloStackVM.java
$ javap -c ./src/main/java/demo/HelloStackVM.class

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通过 javap 我们可以看到 HelloStackVM 类的字节码指令集，我们重点关注 main 方法的字节码指令集 ，下面以表格的形式对应字节码指令和 Java 源码的关系：

Java 源码	字节码指令
int a = 3;	iconst_3 istore_1
int b = 4;	iconst_4 istore_2
int c = a + b;	iload_1 iload_2 iadd istore_3
System.out.println(c);	getstatic iload_3 invokedynamic invokevirtual
return;	return

我们来分析一下字节码指令（只需要了解大致意思即可）：

• iconst_3：将整数常量 3 压入操作数栈。
• istore_1：将操作数栈顶的整数值存入局部变量表的第 1 个位置。
• iload_1：将局部变量表第 1 个位置的整数值压入操作数栈。
• iadd：将操作数栈顶的两个整数值相加，并将结果压入操作数栈。
• istore_3：将操作数栈顶的整数值存入局部变量表的第 3 个位置。
• getstatic：获取静态字段的值，并将其压入操作数栈。
• invokedynamic：动态调用方法。
• invokevirtual：调用实例方法。
• return：返回。

由于 JVM 使用的指令集架构是栈的指令集架构（还有一种是寄存器的指令集架构），所以在开始之前，我们需要先来了解一种数据结构：栈。

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栈（Stack）

栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，具有以下特点：

• 只能在栈顶进行插入和删除操作。
• 栈顶元素是最后插入的元素，栈底元素是最先插入的元素。

有两种常见的栈实现方式：

实现方式	关键说明	优点	缺点
数组	通过索引直接访问元素，无需遍历链表节点	内存连续，CPU 缓存友好	扩容需复制数据
链表	动态分配内存，插入/删除效率高	无固定大小限制	内存碎片化

我们使用链表来实现栈，链表的每个节点包含一个数据域和一个指向下一个节点的指针。源码见：MiniStack.java

为什么要使用栈呢？因为 Java 虚拟机的字节码指令集是基于栈的，所有的操作都是在操作数栈上进行的。

基于栈的虚拟机

接下来我们来实现一个可以执行字节码指令的虚拟机，源码见：MiniExecutionEngine.java

另外我们还在单元测试中模拟了 HelloStackVM 类的 main 方法的字节码指令集，来验证我们实现的虚拟机是否正确。源码见：MiniExecutionEngine.java

二、类加载器

类加载器是 Java 虚拟机的核心组件之一，负责将 Java 类文件加载到内存中，并将其转换为 JVM 可以理解的格式。

三、执行引擎

实现字节码指令的执行引擎，支持基本的算术运算、类型转换、控制流等指令。

四、运行时数据区

• 程序计数器（线程私有，无OOM）
• 堆（线程共享，Old-2/3:Young-1/3）
  • 老年代
  • 新生代（Eden-8:S0-1:S1-1）
    • Eden（对象优先分配区）
    • Survivor 0（From）
    • Survivor 1（To）
• 元空间（JDK 8+，本地内存）
  • 类元数据（方法、字段、父类等）
  • 运行时常量池（符号引用、字面量）
• JVM 栈（线程私有）
  • 栈帧
    • 本地变量表
    • 操作数栈
    • 动态链接
    • 方法返回地址
    • 附加信息
• 本地方法栈（线程私有，Native方法）

五、垃圾回收

实现垃圾回收机制，包括标记-清除算法和分代回收策略。

六、JVM 参数

• -Xms：初始堆大小
• -Xmx：最大堆大小
• -Xss：每个线程的栈大小
• -XX:+UseSerialGC：使用串行垃圾回收器
• -XX:+UseParallelGC：使用并行垃圾回收器
• -XX:+UseG1GC：使用 G1 垃圾回收器
• -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用 CMS 垃圾回收器
• -XX:+UseZGC：使用 ZGC 垃圾回收器