Java Virtual Machine

Java Virtual Machine (בקיצור JVM) היא מכונה וירטואלית המפרשת ומריצה Java Bytecode. לרוב, קוד זה מופק על ידי מהדר לשפת Java, אם כי ה-JVM יכולה לשמש גם כפלטפורמת היעד של מהדרים לשפות אחרות. ה-JVM היא תוכנת מחשב ככל תוכנה אחרת, והיא משמשת כמעין שכבת-מיפוי בין מערכת ההפעלה לבין תוכניות הרצות על גביה.

בגרסאות המוקדמות של שפת Java, הייתה זו חברת Sun שפיתחה את ה-JVM. בהמשך, ולאחר שמפרט ה-JVM הוגדר במדויק, חברות רבות יישמו גרסאות משלהן, אך כולן חייבות לעמוד בסדרת מבדקים (Java TCK) כדי להחשב כמימוש תקני של ה-‏JVM‏^[1]. בנובמבר 2006, הכריזה חברת Sun כי ה-Java Platform, לרבות ה-JVM של Sun (הנקראת HotSpot), יוצעו גם תחת רישוי GPL v2. החברה הודיעה כי תמשיך להשתמש בסימן הרשום של Java (הנמצא בבעלותה) כדי להסמיך מימושים של ה-JVM התואמים באופן מלא למפרט המפורסם.

השימוש במכונה וירטואלית הוא ממאפייני היסוד של פלטפורמת Java, והוא מאפשר לתוכניות שנכתבו בשפת Java ועברו הידור באמצעות המהדר של השפה, לרוץ על מגוון רחב של פלטפורמות חומרה ומערכות הפעלה. תכונה זו באה לידי ביטוי בסיסמתה של ‏Java:‏ "Write once, run anywhere" ("כתוב פעם אחת, הרץ בכל מקום"), אם כי ל-Java תכונה חזקה יותר של רב-פלטפורמיות: "הדר פעם אחת, הרץ בכל מקום". בזכות תכונות אלה, במשולב עם השירותים הרבים שמספקת שפת Java, יש המסווגים את ה-JVM גם כתווכה.

החל מ-Java SE 5.0, שינויים במפרט ה-JVM מפותחים תחת ה-Java Community Process כ-JSR 924^[2]. מפרט ה-JVM מפורסם כספר^[3] הידוע בשם "Blue Book", ובמבוא מצוין כך (תרגום):

"בכוונתו שמפרט זה של ה-Java Virtual Machine יהיה מתועד מספיק ליישום בשיטת "חדר נקי". חברת Sun מספקת מבדקים המוודאים את הפעולה התקינה של מימושי Java Virtual Machine."

סביבת הריצה

תוכניות המיועדות לרוץ על גבי JVM מהודרות תחילה ל-Java Bytecode, שהוא סט פקודות המכונה של ה-JVM. פלט המהדר נשמר בפורמט בינארי מתוקנן, שבדרך כלל מסופק כקובץ .class. כל מחלקה בתוכנית מהודרת לקובץ .class אחד, ובמקרים מסוימים אף ליותר (מחלקות פנימיות). תוכנית תכלול בדרך כלל קובצי .class רבים. כדי להקל על הפצת התוכנית, ניתן לארוז את הקבצים בקובץ jar..

קבצים אלה משמשים כקלט ל-JVM, ורצים על גביה. בזמן הריצה, ה-JVM מפרשת או מהדרת במקום (באמצעות מהדר JIT) את הקלט לסט הפקודות המתאים של המעבד עליו רצה בפועל ה-JVM. ברוב המימושים המודרניים של ה-JVM, נעשה שימוש נרחב בהידור במקום כדי להאיץ את מהירות הריצה של התוכנית.

ה-Java Virtual Machine מבוססת על ארכיטקטורה של מכונת מחסנית. מאידך, מהדרי JIT מהדרים לרוב את ה-Bytecode לשפת מכונה מבוססת רגיסטרים. לכל תהליכון (Thread) יש מחסנית ואוגר פקודה משלו.

סט הפקודות

ל-JVM יש פקודות לקבוצות המשימות הבאות:

טעינה ואחסנה
אריתמטיקה
המרת טיפוסים
יצירה, תפעול ותמרון של אובייקטים
ניהול מחסנית (push/pop)
העברת פיקוח (הסתעפות)
שפעול מתודות וחזרה
טיפול בהחרגות
טיפול בריצה מקבילית

פקודות ה-JVM, דהיינו, שפת המכונה שלה, מפורשות באותו האופן בכל פלטפורמות החומרה. עם זאת, בכל פלטפורמה נדרש מיפוי שונה של פקודות אלה לפקודות המעבד הרלוונטי, ומשימה זו מוטלת על מיישמי ה-JVM בפלטפורמה. בנוסף, ה-JVM נדרשת למפות באופן יעיל את ליבת ממשק תכנות היישומים של Java לממשק תכנות היישומים המתאים במערכת ההפעלה.

אימות

ה-JVM מאמתת את ה-Bytecode קודם להרצתו. כלומר, רק סדרות תקינות של הוראות Bytecode יוכלו לרוץ. לדוגמה, הוראת JUMP (הסתעפות) יכולה לכוון רק להוראה הנמצאת באותה הפונקציה. לשימוש במאמת יש תופעת לוואי מבורכת: למרות שה-JVM מבוססת על ארכיקטורה של מחסנית, אין פגיעה בביצועים גם כאשר נעשה שימוש בהידור JIT על גבי פלטפורמות חומרה בארכיטקטורת רגיסטרים^[4].

נוסף על כך, אימות הקוד מבטיח גם שלא יהיה ניתן להשתמש בתבניות ביטים שרירותיות ככתובות זיכרון. בשיטה זו, אין צורך להשתמש ב-MMU כדי להגן על הזיכרון בפני השחתה שרירותית. מכאן, שה-JVM מאפשרת יישום יעיל של זיכרון מוגן בפלטפורמות חומרה החסרות MMU.

אבטחה

הארכיטקטורה של מכונה וירטואלית מאפשרת פיקוח הדוק על הפעולות שקוד תוכנית מורשה לבצע. ב-Java Virtual Machine נעשה שימוש בתכונה זו כדי לאפשר את הרצתו של קוד לא-בטוח הנטען מרחוק לתוך ה-JVM. יישום נפוץ של תכונה זו מתבצע באמצעות Applet הנטען ל-JVM בפרוטוקול HTTP מאתר מרוחק, ומשולב בדפדפן. ה-Applet רץ בארגז חול המונע מהיישום להזיק למחשבו של המשתמש. מפרסם הקוד יכול לחתום דיגטילית על ה-Applet ובכך לאפשר לו, לאחר אישור המשתמש, לגשת למשאבים מקומיים במחשב, כגון מערכת הקבצים.

ניהול זיכרון ממוכן

אחד מהמנגנונים המרכזיים שמספקת ה-JVM הוא ניהול זיכרון ממוכן (ידוע גם בשם "איסוף זבל"). מנגנון זה אחראי לרשום ולאתר במרחב הזיכרון שהוקצה לתוכנה אובייקטים שאינם בשימוש, ולתבוע בחזרה את המקום שתפסו. הניהול הממוכן של הזיכרון מקל באופן משמעותי על התכנות בשפת Java ומגביר מאוד את אמינות היישומים.

תוכנית Hello World

להלן ה-Bytecode של תוכנית פשוטה ב-Java המדפיסה "Hello Wikipedia World!".

public class HelloWorld {   public <init>() : void    L0     LINENUMBER 2 L0     ALOAD 0: this     INVOKESPECIAL Object.<init>() : void     RETURN    L1     LOCALVARIABLE this HelloWorld L0 L1 0     MAXSTACK = 1     MAXLOCALS = 1    public static main(String[]) : void    L0     LINENUMBER 5 L0     GETSTATIC System.out : PrintStream     LDC "Hello Wikipedia World!"     INVOKEVIRTUAL PrintStream.println(String) : void    L1     LINENUMBER 6 L1     RETURN    L2     LOCALVARIABLE args String[] L0 L2 0     MAXSTACK = 2     MAXLOCALS = 1 }

ראו גם

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא Java Virtual Machine בוויקישיתוף

רשימת שפות המהודרות ל-JVM
Kaffe.org – the Kaffe project
Java Virtual Machine Download Links
JamVM – The Jam Virtual Machine
The lean, mean, virtual machine – An introduction to the basic structure and functionality of the Java Virtual Machine (אורכב 27.04.2006 בארכיון Wayback Machine)
טיפים להתקנת Java
Test your Java Virtual Machine

הערות שוליים

^ על רקע זה התחולל מאבק עסקי חריף בין חברת Sun, המפתחת המקורית של שפת Java, ובין חברת מיקרוסופט. חברת Sun טענה שהגרסה של מיקרוסופט ל-JVM אינה תואמת את המפרט כפי שהוגדר על ידי Sun, וטענה זו התקבלה על ידי בית המשפט. בעקבות זאת, הפסיקה מיקרוסופט לשלב את הגרסה שלה בדפדפן ובמערכות ההפעלה שלה, ומשתמשיהם נדרשים להוריד את התמיכה בשפה מאתר האינטרנט של Sun או מחלופות אחרות.
^ JSR 924 – Specifies changes to the JVM specification starting with J2SE 5.0
^ The Java Virtual Machine Specification (the first and second editions are also available online)
^ f31-yunhe.dvi

[1] על רקע זה התחולל מאבק עסקי חריף בין חברת Sun, המפתחת המקורית של שפת Java, ובין חברת מיקרוסופט. חברת Sun טענה שהגרסה של מיקרוסופט ל-JVM אינה תואמת את המפרט כפי שהוגדר על ידי Sun, וטענה זו התקבלה על ידי בית המשפט. בעקבות זאת, הפסיקה מיקרוסופט לשלב את הגרסה שלה בדפדפן ובמערכות ההפעלה שלה, ומשתמשיהם נדרשים להוריד את התמיכה בשפה מאתר האינטרנט של Sun או מחלופות אחרות.

[2] JSR 924 – Specifies changes to the JVM specification starting with J2SE 5.0

[3] The Java Virtual Machine Specification (the first and second editions are also available online)

[4] 31-yunhe.dvi

[1]

[2]

[3]

[4]

Java (פלטפורמת תוכנה)
פלטפורמה	Java (שפת תכנות) • Java Card • Java ME • Java EE • Java SE • Java Virtual Machine
טכנולוגיות	Java applet • Java Web Start • Java Servlet • JavaServer Pages • JavaFX • JavaServer Faces
מושגים	איסוף זבל • Cross-platform • Java Bytecode • Java Development Kit • Javadoc • Java Classloader • Java Class Library JIT Compiler • HotSpot • JavaBeans • Enterprise JavaBeans • JNI • JAR • POJO • Web container • Java annotation Java package • Java Class File
ממשקי תכנות יישומים	Swing • AWT • SWT • Java 3D • Java 2D • JMS • JDBC • JAXP • JPA • RMI • JNDI
שפות ל-JVM	Scala • Clojure • Groovy • JRuby • Jython
תשתיות תוכנה וכלים של חברות צד שלישי	אפאצ'י טומקט‏ • Apache Maven • Apache Ant • Apache Struts JUnit • Hibernate • Spring Framework • JBoss • Google Web Toolkit • BEA WebLogic • IBM WebSphere
סביבות פיתוח משולבות	Eclipse • NetBeans • IntelliJ
חברות	סאן מיקרוסיסטמס • אורקל
אישים	ג'יימס גוסלינג • ביל ג'וי • אריק שמידט