計算機的概念模型

計算機實際上就是實現了一個圖靈機模型。即，輸入參數，根據程序計算，輸出結果。圖靈機模型如圖。

Tape是輸入數據，Program是針對這些數據進行計算的程序，中間橫著的方塊表示的是機器的狀態。

目前使用的電子計算機都是實現了這樣一個抽象模型的產物，只不過物理實現上不一樣。

比如，典型的加法運算。

c = a + b

a和b是輸入參數，c是加法的輸出。

如何實現運算？

設計一臺電腦。CPU里面有一個加法器。現在如何實現加法運算，并將結果輸出呢？實際上可以采用如下的方式。

• 有一根內存條
• 有一個CPU
• CPU含有3條指令（加法，讀取內存，寫入內存）

那么如何實現上述的加法運算呢？我們可以采用下面的模式

第一步，將a放入內存

第二步，將b壓棧

第三步，CPU從內存讀取a和b，并進行加法運算

第四步，將內存中的a和b清空，并將計算后的結果c放入內存

這種計算機被稱為棧式計算機。我們不僅可以在CPU中執行加法，還可以加入減法，乘法，除法，等等。

這種計算機的好處是指令集緊湊精簡，所有操作都以棧頂元素為對象。

但是，它也存在一些固有缺陷，如執行效率較低（因為對于計算機而言，訪問內存操作是一種時間開銷極大的行為）、尋址能力受限等。

改進

為了讓棧式計算機能夠快速地進行運算。CPU可以在內部加入一個寄存器(register)，用于總是保存棧頂數據。其計算過程如圖。

由于寄存器處于CPU內部，其訪問速度遠遠大于對內存的直接訪問，

后來隨著技術的發展，CPU內部的寄存器越來越多。不同的廠商針對各自的架構設計特點，發展出了屬于各自架構的寄存器。以x86架構為例（也就是我們常見的AMD或Intel CPU），整數寄存器有32個，并且針對每一個寄存器都標記了一個編號以及別名。 下面以0-2號寄存器為例進行說明。

編號	別名
0	rax
1	rcx
2	rdx

于是，CPU發展出下面的形式。

架構類型

由于不同廠商實現寄存器和訪問內存（簡稱訪存）方式的不同，發展出了復雜指令集架構（CISC）和精簡指令集架構（RISC）。比如，在x86（CISC指令集）上實現加法的指令為

ADD EAX, EBX

該指令將EAX寄存器中的值與EBX寄存器中的值相加后，將結果放入EBX。

而典型的ARM架構（RISC指令集）實現加法則為

ADD X0, X1, X2

其含義為將x1和x2寄存器中的值相加，將結果放入x0寄存器中。

實際上，不僅二者匯編指令的編寫不一致，而且由此翻譯成的機器碼也不一直。對于x86的加法例子，CPU執行上述加法的機器碼為

0x01C3

而對于ARM架構的例子機器碼為

0x8B000000

平臺相關性

對于同樣的加法，在x86和ARM上實現的指令機器碼是不一樣的。所以，如果有程序要實現一個加法，那么在計算機底層執行時，其執行的內容是不一樣的。

對于C語言這樣的高級語言而言，當實現一個加法運算。例如

int a,b,c;
a = b + c;

在經過編譯器（如gcc）編譯后，其源文件被編譯生成了可被指定平臺識別的二進制可執行文件。該文件中關于實現加法的指令是不同的。因此，盡管高級語言編寫的內容一致，但可執行程序在最后一步執行時是平臺相關的。

Java程序的平臺無關性

所謂的Java程序平臺無關性是指由Java語言編寫的源程序經過Java虛擬機（JVM）編譯后，生成的二進制文件(.class)是一致的。即不管是在ARM上編譯生成的.class文件還是x86上生成的.class文件，其內容是一樣的。不管什么平臺的Java虛擬機都可根據這些.class文件執行。這就與gcc編譯器完全不同，gcc生成的二進制文件必須符合平臺的要求，否則不能執行。

原因

Java虛擬機（JVM）在運行Java程序的時候首先會讀取這些.class文件，將其內容加載到虛擬機內部。至于為什么JVM稱為虛擬機呢？這是因為JVM內部實際上是一個由純軟件方式實現的棧式計算機。該棧式計算機被稱為hotspot，幾乎全部由C++實現。，在hotspot之外，包裹了一層Java語言編寫的外殼(jdk)供開發者調用。

本質上說，在軟件層面，所有的Java程序運行都通過純軟件的棧式計算機實現計算。但是棧式計算機的具體計算過程，則由平臺的具體指令實現。

這也是為什么openjdk的源碼目錄結構中會出現不同架構的文件夾。

不僅如此，為了能夠實現**“一次編譯，處處執行”**，Java虛擬機還能根據不同的操作系統進行適配，對于有些與操作系統和CPU結合的部分，也提供了不同的實現。

結論

Java虛擬機即是平臺無關，也是平臺相關。平臺無關是因為其執行過程是由純軟件實現的棧式計算機實現，而平臺相關是因為Java虛擬機的具體操作跟平臺指令和操作系統相關。