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规范规定了一台**抽象机器**。它并未描述任何特定的 Java 虚拟机实现。
要正确实现 Java 虚拟机，只需能够读取类文件格式，并正确执行其中所规定的操作即可。  
那些不属于 Java 虚拟机规范组成部分的实现细节，若被强行规定，将不必要地限制实现者的创造力。例如，运行时数据区域的内存布局、所采用的垃圾回收算法，以及对 Java 虚拟机指令的任何内部优化（例如将其翻译为机器码），均由实现者自行决定。

本规范中所有对 Unicode 的引用均依据《Unicode 标准，17.0.0 版》，该标准可于 https://www.unicode.org/ 获取。

## **2.1 类文件格式**

供 Java 虚拟机执行的已编译代码，采用一种与硬件和操作系统无关的二进制格式来表示。这种格式通常（但并非必须）存储于一个文件中，称为**类文件格式**（class file format）。类文件格式精确地定义了类或接口的表示方式，包括字节序等在平台相关的目标文件格式中可能被视为理所当然的细节。

第 4 章“类文件格式”将详细阐述该格式。

## **2.2 数据类型**

与 Java 编程语言一样，Java 虚拟机操作两种类型的值：**基本类型**（primitive types）和**引用类型**（reference types）。相应地，可以存储在变量中、作为参数传递、由方法返回并进行操作的值也有两种：**基本值**（primitive values）和**引用值**（reference values）。

Java 虚拟机期望**几乎所有类型检查都在运行前完成**，通常由编译器完成，而无需 Java 虚拟机自身在运行时执行。基本类型的值在运行时**不需要被标记或以其他方式可检查**以确定其类型，也无需与引用类型的值相区分。相反，Java 虚拟机的指令集通过专用于操作特定类型值的指令来区分操作数的类型。例如，`iadd`、`ladd`、`fadd` 和 `dadd` 都是将两个数值相加并产生数值结果的 Java 虚拟机指令，但每条指令都专用于其操作数类型：分别为 `int`、`long`、`float` 和 `double`。有关 Java 虚拟机指令集对类型支持的概述，请参见 §2.11.1。

Java 虚拟机对对象提供了显式支持。对象要么是动态分配的类实例，要么是数组。指向对象的引用被视为具有 Java 虚拟机类型 **reference**。引用具有多态性：单个引用也可以是多个类类型、接口类型或数组类型的值。类型为 reference 的值可被视为指向对象的指针。可能存在多个指向同一对象的引用。对象总是通过类型为 reference 的值来进行操作、传递和测试。

## **2.3 基本类型与值**

Java 虚拟机支持的基本数据类型包括：**数值类型**、**boolean 类型**（§2.3.4）和 **returnAddress 类型**（§2.3.3）。

数值类型由**整数类型**（§2.3.1）和**浮点类型**（§2.3.2）组成。

整数类型包括：
- **byte**：其值为 8 位有符号二进制补码整数，默认值为零；
- **short**：其值为 16 位有符号二进制补码整数，默认值为零；
- **int**：其值为 32 位有符号二进制补码整数，默认值为零；
- **long**：其值为 64 位有符号二进制补码整数，默认值为零；
- **char**：其值为 16 位无符号整数，表示基本多文种平面（Basic Multilingual Plane）中的 Unicode 码点，采用 UTF-16 编码，默认值为空码点（`'\u0000'`）。

浮点类型包括：
- **float**：其值精确对应于 IEEE 754 标准中 32 位 binary32 格式所能表示的值，默认值为正零；
- **double**：其值精确对应于 IEEE 754 标准中 64 位 binary64 格式所能表示的值，默认值为正零。

boolean 类型的值用于编码真值 true 和 false，默认值为 false。

《Java® 虚拟机规范》第一版并未将 boolean 视为 Java 虚拟机的一种类型。然而，boolean 值在 Java 虚拟机中确实得到了有限支持。《Java® 虚拟机规范》第二版通过将 boolean 视为一种类型，澄清了这一问题。

returnAddress 类型的值是指向 Java 虚拟机指令操作码的指针。在所有基本类型中，只有 returnAddress 类型**不直接对应于 Java 编程语言中的任何类型**。

### **2.3.1 整数类型与值**

Java 虚拟机整数类型的取值范围如下：
- **byte**：从 -128 到 127（即 -2⁷ 到 2⁷ - 1），含端点；
- **short**：从 -32768 到 32767（即 -2¹⁵ 到 2¹⁵ - 1），含端点；
- **int**：从 -2147483648 到 2147483647（即 -2³¹ 到 2³¹ - 1），含端点；
- **long**：从 -9223372036854775808 到 9223372036854775807（即 -2⁶³ 到 2⁶³ - 1），含端点；
- **char**：从 0 到 65535，含端点。

### **2.3.2 浮点类型与值**

浮点类型包括 float 和 double，它们在概念上分别关联于 IEEE 754 标准中用于表示数值和运算的 32 位 binary32 和 64 位 binary64 浮点格式（参见 JLS §1.7）。

从 Java SE 15 及以后版本开始，Java 虚拟机采用 IEEE 754 标准的 2019 年版本。在 Java SE 15 之前，Java 虚拟机采用的是 IEEE 754 标准的 1985 年版本，其中 binary32 格式被称为 single 格式，binary64 格式被称为 double 格式。

IEEE 754 不仅包含由符号和幅值组成的正数和负数，还包括**正零**、**负零**、**正无穷大**、**负无穷大**以及特殊的**非数**（Not-a-Number，以下简称 NaN）值。NaN 值用于表示某些无效操作的结果，例如零除以零。float 和 double 类型的 NaN 常量分别预定义为 `Float.NaN` 和 `Double.NaN`。

浮点类型的有限非零值均可表示为以下形式：  
**s ⋅ m ⋅ 2^(e - N + 1)**，其中：
- **s** 为 +1 或 -1；
- **m** 为小于 2^N 的正整数；
- **e** 为介于 Emin = -(2^(K-1) - 2) 与 Emax = 2^(K-1) - 1（含端点）之间的整数；
- **N** 和 **K** 是依赖于具体类型的参数。

某些值可以用上述形式以多种方式表示。例如，假设某个浮点类型值 v 可用特定的 s、m 和 e 表示，若此时 m 为偶数且 e 小于 2^(K-1)，则可将 m 减半并将 e 加 1，从而得到表示同一值 v 的第二种形式。

若上述形式中 **m ≥ 2^(N-1)**，则称该表示为**规格化**（normalized）；否则称为**非规格化**（subnormal）。如果一个浮点类型的值无法以满足 m ≥ 2^(N-1) 的方式表示，则称该值为**非规格化值**，因为其幅值低于最小规格化值的幅值。

float 和 double 类型的参数 N、K（及其导出参数 Emin 和 Emax）的约束条件汇总于表 2.3.2-A。

**表 2.3.2-A. 浮点参数**

| 参数 | float | double |
| :--- | :---: | :---: |
| N    | 24    | 53     |
| K    | 8     | 11     |
| Emax | +127  | +1023  |
| Emin | -126  | -1022  |

除 NaN 外，浮点值是有序的。按从小到大排列，其顺序为：负无穷大、负有限非零值、正零与负零、正有限非零值、正无穷大。

IEEE 754 允许在其 binary32 和 binary64 浮点格式中存在多个不同的 NaN 值。然而，Java SE 平台通常将给定浮点类型的 NaN 值视为已坍缩为单一的**规范值**（canonical value），因此本规范通常将任意 NaN 视为规范值进行讨论。

根据 IEEE 754，即使操作数均非 NaN，浮点运算仍可能生成 NaN 结果。IEEE 754 规定了 NaN 的一组位模式，但并未强制要求使用哪个特定的 NaN 位模式来表示 NaN 结果；这由硬件架构决定。程序员可以创建具有不同位模式的 NaN，以编码例如事后诊断信息等内容。这些 NaN 值可通过 `Float.intBitsToFloat` 和 `Double.longBitsToDouble` 方法分别针对 float 和 double 类型创建。反之，若要检查 NaN 值的位模式，可分别使用 `Float.floatToRawIntBits` 和 `Double.doubleToRawLongBits` 方法。

正零和负零在比较时相等，但存在其他操作可以区分它们；例如，1.0 除以 0.0 产生正无穷大，而 1.0 除以 -0.0 则产生负无穷大。

NaN 是**无序的**，因此当数值比较或数值相等性测试的操作数中任一或两者均为 NaN 时，其结果为 false。特别地，一个值与其自身的数值相等性测试结果为 false **当且仅当**该值为 NaN。若任一操作数为 NaN，则数值不等性测试的结果为 true。

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详解The Java® Virtual Machine Specification Java SE 26 Edition系列之Java 虚拟机的结构上

规范规定了一台抽象机器。它并未描述任何特定的 Java 虚拟机实现。要正确实现 Java 虚拟机，只需能够读取类文件格式，并正确执行其中所规定的操作即可。  那些不属于 Java 虚拟机规范组成部分的实现细节，若被强行规定，将不必要地限制实现者的创造力。例如，运行时数据区域的内存布局、所采用的垃圾回收算法，以及对 Java 虚拟机指令的任何内部优化（例如将其翻译为机器码），均由实现者自行决定。

后端

编程语言

架构设计

Java虚拟机规范定义了抽象机器标准，包括类文件格式、数据类型和基本值类型。规范支持基本类型（数值、boolean、returnAddress）和引用类型，详细规定了整数和浮点类型的取值范围及运算规则。实现者可根据规范自由设计内存布局和垃圾回收算法。所有Unicode引用遵循17.0.0版标准。

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