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. 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. מפרט ה-JVM מפורסם כספר 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.

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.
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}