Yleiskatsaus Java-virtuaalikoneen (JVM) arkkitehtuuriin, joka perustuu Java SE 7 Edition -spesifikaatioon. 
**Java-virtuaalikone** (engl. *Java Virtual Machine*, **JVM**) on abstrakti kone (virtuaalikone), joka suorittaa sille käännettyjä Java-ohjelmia. Virtuaalikone on toteutettu ohjelmallisesti oikean laitteiston ja käyttöjärjestelmän päällä ajettavaksi. Java-kielellä tehdyt ohjelmat käännetään tavukoodiksi ja suoritetaan JVM:llä oikeassa ympäristössä.

Java-virtuaalikoneen avulla voidaan ajaa myös eräillä muilla ohjelmointikielillä tehtyjä ohjelmia, jotka on käännetty JVM:n tukemaksi tavukoodiksi. JVM-spesifikaatio (engl. *JVM Specification*) kuvaa JVM-toteutuksen formaaliset vaatimukset. Spesifikaatio varmistaa Java-ohjelmien yhteentoimivuuden eri toteutusmuodoissa, jotta Java-kehitystyökaluja (JDK) käyttävien ohjelmiston kehittäjien ei tarvitse huolehtia taustalla olevan laitteistoalustan erilaisuuksista.

JVM:n tarkka määrittely
-----------------------

Määritelmän mukaisesti Java virtuaalikone on abstrakti (virtuaalinen) tietokone. Se on osa Javan runtime-ympäristöä. Ympäristössä käytetään jätteiden keräysalgoritmia. Siinä ei ole eritelty mitään muita Javan sisäisiä optimointeja, joita Javan virtuaalikoneen ohjeet käyttävät. Tärkein syy jättää tämä pois on se, että virtuaalitietokoneen toteuttajia ei rajoiteta tarpeettomasti. Mikä tahansa Java-ohjelma voidaan ajaa jonkin konkreettisen toteutuksen sisällä, joka sisältää Javan virtuaalitietokoneen yksityiskohdat. 

Javan Standard Edition (J2SE) 5.0 versiosta lähtien muutoksia JVM:n tarkkaan määrittelyyn on kehitetty Java Community Process:in (JSR 924) alaisuudessa. Vuodesta 2006 lähtien JSR 202:n ehdottamien luokkatiedoston muutosten tukemiseksi suoritetaan JSR 924:n ylläpitolisenssiversiona. Tarkka määritelmä JVM:lle julkaistiin "blue book" -kirjana, jonka alkupuhe toteaa:

> »Tarkoituksenamme on, että tämä tarkkan määrittelyn tulisi riittävästi dokumentoida Javan virtuaalitietokonetta, jotta voidaan tehdä yhteensopivia clean-room -toteutuksia. Oracle tarjoaa testejä, jotka varmistavat, että Javan virtuaalitietokoneen toteutus toimii oikein.» 
> 
> 

Yksi Oraclen JVM:istä on nimetty HotSpotiksi. Toinen on periytynyt BEA Systemsiltä ja sen nimi on JRockit. Oracle omistaa Java-tavaramerkin ja voi sallia sen käytön implementaatiopaketeissa varmistaakseen, että ne ovat täysin yhteensopivia Oraclen specifikaation kanssa.

### Luokkalataaja

Yksi organisaatioyksikkö JVM:n koodissa on luokka. Luokkalataajan käyttöönottajan tulee voida tunnistaa ja ladata mitä tahansa, jota mukautuu Java-luokan tiedostotyyppiin. Minkä tahansa toteutuksen tulee olla vapaa tunnistamaan muita kaksiosaisia tyylejä lukuun ottamatta luokkatiedostoja, mutta sen tulee kuitenkin tunnistaa luokkatiedostot. 

Luokkalataaja suorittaa kolme perus aktiviteettia tässä tarkassa järjestyksessä:

1. Lataaminen: löytää ja tuo tyypin binääritiedot
2. Linkittäminen: suorittaa verifioinnin, valmistelun ja valikoiduissa tilanteissa resoluution säädön.
	* Verifiointi: Varmista tuodun tyypin oikeinkirjoituksen
	* Valmistelu: Allokoi muistia luokkan muuttujille ja alustaa muistin perus arvoihin
	* Resoluutio: Muuttaa tyyppien symboliset maininnat suorin mainintoihin.
3. Käyttöönotto: Herättää Java koodin, joka käyttöönottaa luokan muuttujat niiden tiettyihin lähtöarvoihin.

Yleisesti käytössä on kolme luokkalataajatyyppiä. Ne ovat bootstrap-luokkalataaja, extension-luokkalataaja sekä System / Application -luokkalataaja.

### JVM arkkitehtuuri

JVM käyttää tarkoin määriteltyjä tietotyyppejä, joiden määritelmät löytyvät Java Virtual Machine teknisistä tiedoista. Tietotyypit vodaan jakaa alkeellisiin ja viittaus tyyppeihin. Alkeellisiin Tietotyyppeihin kuuluu mm. kokonaisluvut ja liukuluvut. Alun perin JVM oli tarjolla vain 32 bittisillä tietokoneilla, josta johtuen esimerkiksi *long* ja *double* tyyppiset tietotyypit, jotka vaativat 64 bittiä ovat tuettuja, mutta ne tallennetaan kahdelle muistipaikalle, jotka molemmat on 32 bittisiä. Muun muassa *char* ja *short* tyyppisiä tietotyyppejä käytetään 32 bittisinä kokonaislukuina. Uusimmat JVM julkaisut tukevat 64 bittiä, joten on mahdollista käyttää joko 32 bittistä tai 64 bittistä JVM:ää 64 bittisellä käyttöjärjestelmällä. Merkittävin hyöty 64 bittisen ympäristön käytössä on suurempi osoite avaruus eli yksilöllisten osoitteiden määrä. Se mahdollistaa paljon suuremman Java Threads määrän käytön, mikä voi olla tarpeellista joidenkin suurin ohjelmien tekemisessä. 32 bittinen JVM on kuitenkin jonkin verran tehokkaampi verrattuna 64 bittiseen JVM versioon.

JVM sisältää niin sanotun roskien kerääjän (garbage collector), joka poistaa muistista sellaisia olioita ja tietoja, joita ei enää tarvita ja vapauttaa täten muistia ohjelman käytettäväksi. Koodi, vakiot ja muu luokkien sisältämä tieto ei kuitenkaan välttämättä kuulu garbage collectorin piiriin, jolloin niitä ei välttämättä hävitetä. Kuitenkin joka kerta kun metodia kutsutaan, luodaan uusi rakenne, joka kuitenkin hävitetään kun, metodista poistutaan. 

### Tavukoodin ohjeet

JVM:llä on ohjeet seuraaville tehtäväryhmille: 

* Lataa ja varastoi
* Aritmeettinen
* Tyyppimuunnos
* Olion luonti ja manipulointi
* Operandi pino hallinta (push / pop)
* Ohjauksen siirto (haaroittuminen)
* Metodin kutsuminen ja palauttaminen
* Poikkeusten heitto (throw exception)
* Näyttöön perustuva samanaikaisuus

Päämääränä on binaarinen yhteensopivuus. Jokainen tietty isäntäkäyttöjärjestelmä tarvitsee oman toteutuksensa JVM:stä ja suoritusajasta. Nämä JVM:t tulkitsevat tavukoodin semanttisesti samalla tavalla, mutta varsinainen toteutus voi olla erilainen. Monimutkaisempi kuin vain tavukoodin emulointi on yhteensopivuus ja tehokas Java core API:n toteutus, jonka täytyy olla kartoitettu jokaiseen isäntäkäyttöjärjestelmään.

Nämä ohjeet toimivat joukolla yleisiä abstrakteja tietotyyppejä minkään tietyn käskysarja-arkkitehtuurin alkuperäisten tietotyyppien sijaan. 

### Tavukoodi vahvistaja

Javan perusfilosofia on, että se on turvallinen siltä kannalta, että mikään käyttäjäohjelma ei voi kaataa isäntäkonetta tai muuten häiritä isäntätietokoneen muita toimintoja sopimattomasti ja että on mahdollista suojata tiettyjä luotettuun koodiin kuuluvia metodeja ja tietorakenteita pääsyltä tai korruptiolta epäluotetun koodin toimesta, joka suoritetaan samassa JVM:ssä. Lisäksi tavalliset ohjelmoijavirheet, jotka usein johtavat tietokorruptioon tai arvaamattomaan käytökseen, kuten pääsy taulukon päähän tai alustamattoman osoittimen käyttäminen, eivät saa tapahtua. Useat Javan toiminnot yhdistettynä tarjoavat tämän turvallisuuden, mukaan lukien luokkakaavio, roskakerätty (garbage-collected) pino ja vahvistaja.

JVM vahvistaa kaiken tavukoodin ennen kuin se suoritetaan. Tämä todennus sisältää pääasiassa kolmenlaisia tarkistuksia:

* Haaraumat ovat aina oikeisiin paikkoihin
* Tiedot alustetaan aina ja viittaukset ovat aina tyyppiturvallisia
* Pääsyä yksityisiin tai pakattuihin tietoihin ja metodeihin on tiukasti ohjattu

Kaksi ensimmäistä näistä tarkistuksista tehdään ensisijaisesti vahvistusvaiheen aikana, kun luokka on ladattu ja tehty kelvolliseksi käyttää. Kolmas on ensisijaisesti tehty dynaamisesti, kun tietokohteita ja luokkien metodeja käyttää ensimmäisen kerran joku muu luokka.

JVM:n tukemat kielet
--------------------

JVM-kieliä on useita. JRuby ja Jython ovat kenties tunnetuimpia JVM-käännöksiä Ruby- ja Python-kielistä. Java-tavukoodiksi kääntyviä vakiintuneita kieliä ovat muun muassa Clojure, Apache Groovy, Scala ja Kotlin. JVM-kielten merkittävä piirre on, että ne ovat yhteensopivia toistensa kanssa, joten esimerkiksi Scala-kirjastoja voidaan käyttää Java-ohjelmien kanssa ja päinvastoin.

Java Runtime Environment
------------------------

Java Runtime Environment (JRE) on vapaasti saatavilla oleva ohjelmisto, joka sisältää itsenäisen virtuaalikoneen (HotSpot), standardikirjaston (Java Class Library), ja konfigurointiohjelman. Se on yleisin JVM-ajoympäristö. 

Avoimen lähdekoodin ympäristöjä ovat OpenJDK GPL-2.0 ohjelmistolisenssillä linkittämispoikkeuksella ja Eclipse (aikaisemmin IBM) OpenJ9.

Android-käyttöjärjestelmää käyttävät järjestelmät kääntävät ohjelmat Android Runtime (ART) -ajoympäristölle, joka kääntää ohjelmaa natiiville konekielelle: aiemmin Androidissa on käytetty Dalvik-virtuaalikonetta.

JVM verkkoselaimessa
--------------------

Kun Java-alusta oli vielä vasta elinkaarensa alussa, JVM:ää markkinoitiin verkkoteknologiana Rich Web Applications -sovellusten luomiseen. Vuodesta 2018 lähtien useimpien verkkoselaimien ja verkkoselaimia yhdistävien käyttöjärjestelmien mukana ei toimiteta Java-laajennusta, eivätkä ne sallineet muiden kuin Flash -laajennusten sivulatausta. Java-selainlaajennus poistettiin käytöstä JDK 9:ssä.

NPAPI Java -selainlaajennus oli suunniteltu sallimaan JVM suorittaa niin sanottuja Java-sovelmia, jotka on upotettu HTML-sivuille. Niille selaimille, joihin laajennus on asennettu, voi sovelma voi piirtyä sille osoitetun sivun suorakaiteen muotoiseen alueeseen. Koska laajennus sisältää JVM:n, Java-sovelmat eivät rajoitu vain Java-ohjelmointikieleen, sillä mikä tahansa JVM:ään kohdistettu kieli voi toimia laajennuksessa. Rajoitettu joukko sovellusliittymiä sallii sovelmien pääsyn käyttäjän mikrofoniin tai 3D-kiihdytykseen, vaikka sovelmat eivät pysty muokkaamaan sivua sen suorakulmaisen alueen ulkopuolella. Adobe Flash Player, tärkein kilpaileva teknologia, toimii samalla tavalla tässä suhteessa.

Kesäkuuhun 2015 mennessä oli W3Techsin mukaan Java-sovelman ja Microsoft Silverlightin käyttö pudonnut 0,1 prosenttiin kaikilla verkkosivuilla. Samaan aikaan Flashin käyttö oli pudonnut 10,8 prosenttiin.

### JavaScript JVM:t ja tulkit

Toukokuusta 2016 lähtien JavaPoly on sallinut käyttäjien tuoda muokkaamattomia Java-kirjastoja ja kutsua niitä suoraan JavaScriptistä. JavaPoly sallii verkkosivustojen käyttää muokkaamattomia Java-kirjastoja, vaikka käyttäjän tietokoneeseen ei olisi asennettu Java. 

### Käännös JavaScriptiin

JavaScript-suoritusnopeuden jatkuva lisääntyminen ja mobiililaitteiden sellainen käyttö, joka ei tue laajennuksia, aiheuttaa ongelmia, jotka pyritään ratkaisemaan JavaScriptiin kääntämisen avulla. On mahdollista kääntää joko lähdekoodi tai JVM-tavukoodi JavaScriptiksi.

JVM-tavukoodin kääntäminen, joka on universaali kaikissa JVM-kielissä, mahdollistaa kielen olemassa olevan kääntäjän pohjalta tavukoodauksen. Tärkeimmät JVM-tavukoodit JavaScript-kääntäjiin ovat TeaVM, joka on Dragome Web SDK:n sisältämä kääntäjä, Bck2Brwsr, ja j2js-kääntäjä.

Johtavia kääntäjiä JVM-kielistä JavaScriptiin ovat Google Web Toolkit -työkaluihin kuuluva Java-JavaScript-kääntäjä, Clojurescript (Clojure), GrooScript (Apache Groovy), Scala.js (Scala) ja useat muut.

Lähteet
-------

1. 1 2 3  The lean, mean, virtual machine *javaworld.com*. Viitattu 29.2.2020. (englanniksi)
2. ↑  Tim Lindholm, Frank Yellin: Clarifications and Amendments to the Java Virtual Machine Specification, Second Edition *The JavaTM Virtual Machine Specification, Second Edition,*. Viitattu 18.11.2015.
3. ↑  Experimental Google ART runtime in Android KitKat can bring twice faster app executions *phonearena.com*.  7.11.2013. Viitattu 29.2.2020. (englanniksi)
4. ↑  Platform Architecture *developer.android.com*. Viitattu 29.2.2020. (englanniksi)
5. ↑  Implementing ART Just-In-Time (JIT) Compiler *source.android.com*. Viitattu 29.2.2020. (englanniksi)
6. ↑  Ars Staff: Oracle deprecates the Java browser plugin, prepares for its demise *Ars Technica*.  28.1.2016. Viitattu 30.3.2023. (englanniksi)
7. ↑  Historical yearly trends in the usage statistics of client-side programming languages for websites, March 2023 *w3techs.com*. Viitattu 30.3.2023.
8. ↑  TeaVM *teavm.org*. Viitattu 30.3.2023.
9. ↑  Dragome.com *www.dragome.com*. Viitattu 30.3.2023.
10. ↑  Bck2Brwsr - APIDesign *wiki.apidesign.org*. Viitattu 30.3.2023.
11. ↑  wolfgang kuehn: decatur/j2js-compiler *github.com*.  28.1.2023. Viitattu 30.3.2023.
12. ↑  List of languages that compile to JS *GitHub*. Viitattu 30.3.2023. (englanniksi)