#yyds干货盘点# JVM集合之开篇点题

Posted 2021-12-11 阿Q说代码

大家在平时的开发过程中是否遇到过StackOverflowError、OutOfMemoryError等类似的内存溢出错误呢？大家又是怎么解决这个问题的？再来，大家在面试过程中有没有被面试官提问过jvm的内部构造及如何优化的夺命连环call呢？今天就让我们来一探究竟，先从jvm的内部构造及原理说起，一步一步带大家解决jvm的优化问题。

虚拟机简介

虚拟机（Virtual Machine，简称VM）就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

• 大名鼎鼎的visual box、vmware就属于系统虚拟机，他们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
• 程序虚拟机的代表就是java虚拟机（jvm），他专门为执行单个计算机程序而设计，在java虚拟机中执行的指令我们称为java字节码指令。

无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上边运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。虚拟机所在的位置：硬件的操作系统之上。虚拟机与JDK和JRE的关系如图所示：

架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。那么他们之间有什么区别呢？

栈式架构特点：

• 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统；
• 避开了寄存器的分配难题，使用零地址指令方式分配；
• 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现；
• 不需要硬件支持，可移植性好，更好实现跨平台。

寄存器架构特点：

• 典型的应用是x86的二进制指令集：比如传统的PC以及android的Davlik虚拟机；
• 指令集架构则完全依赖于硬件，可移植性差；
• 性能优秀和执行更高效；
• 花费更小的指令去完成一项操作；
• 基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主。

由于跨平台性的设计，java的指令都是根据栈来设计的，不同平台的cpu架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。

举例：同样执行2+3的逻辑操作，其指令分别如下：

基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例--idea中控制台使用javap -v XXX.class执行）

 0: iconst_2  //常量2入栈
 1: istore_1  //将2从操作数栈存储到局部变量表 第1个位置
 2: iconst_3  //常量3入栈
 3: istore_2  //将2从操作数栈存储到局部变量表 第2个位置
 4: iload_1   //位置为1的数据压入操作数栈
 5: iload_2   //位置为2的数据压入操作数栈
 6: iadd      //常量2，3出栈，执行相加，并将结果压入操作数栈顶
 7: istore_3  //结果5存到局部变量表 第三个位置
 8: return    

基于寄存器的计算流程：

mov eax,2  //将eax寄存器的值设为1
add eax,3  //使eax寄存器的值加3

java虚拟机的生命周期

虚拟机的启动：Java虚拟机的启动是通过引导类加载器创建一个初始类来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

虚拟机的执行：虚拟机的任务是执行java程序，其真正执行的是一个叫做java虚拟机的进程。

虚拟机的退出：

1. 程序正常执行结束；
2. 程序在执行过程中遇到了异常或者错误而异常终止；
3. 操作系统出现错误而导致java虚拟机进程终止；
4. 线程调用Runtime类或者System类的exit方法，或者Runtime类的halt方法，并且java安全管理器也允许这次exit或halt操作；
5. JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载java虚拟机时，java虚拟机的退出情况。

常见的JVM

如果说java是跨平台的语言，那jvm就是跨语言的平台。只要是将该语言的文件遵循jvm的规范编译成jvm可以识别的字节码文件，就可以在jvm上运行。jvm的特点：一次编译，到处运行；自动内存管理；自动垃圾回收功能。

HotSpot、JRockit与J9并称三大主流JVM：

HotSpot VM：从JDK1.3开始使用，到现在OpenJDK中也在使用。采用解释器与即时编译器并存的架构，拥有成熟的热点代码探测技术和GC机制。所谓热点探测技术有以下两个方面的体现：
一、通过计数器找到最具编译价值的代码，触发即时编译或者栈上替换功能--机器指令（cpu可以直接执行的指令）本地缓存；
二、即时编译器和解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能之间平衡。

JRockit VM:最初属于BEA公司，2008年被Oracle收购。它专注于服务器端应用，所以不太关注程序的启动速度，里边不包含解析器，号称是世界上最快的JVM。它提供的Mission Control服务套件，是一组以极低的开销来监控、管理和分析生产环境中的应用程序的工具。它包括三个独立的应用程序：内存泄漏监测器（Memory Leak Detector）、JVM运行时分析器（Runtime Analyzer）和管理控制台（Management Console）。

J9 VM：J9是IBM开发的一个高度模块化的JVM，在许多平台上，IBM J9 VM都只能跟IBM产品一起使用。2017年IBM发布开源的OpenJ9，并贡献给 Eclipse 基金会。

非主流JVM介绍：

Azul VM:　是Azul system 公司在Hot Spot基础上进行的改进，是运行在其公司专有的硬件上，一个Azul VM 实例，都可以管理数十个CPU以及数百G的内存资源，而且通过巨大内存范围内，实现可控的GC事件以及垃圾回收。

Graal VM: 是一个高性能的通用虚拟机，可以运行使用javascript，Python 3，Ruby，R，基于JVM的语言以及基于LLVM的语言开发的应用。GraalVM消除了编程语言之间的隔离性，并且通过共享运行时增强了他们的互操作性。它可以独立运行，也可以运行在OpenJDK，Node.js，Oracle，mysql等环境中。它的口号“Run Programs Faster Anywhere”。

HotSpot的整体架构图

如图所示为HotSpot的架构简图，接下来我们会按照该图的执行顺序说一下JVM里边的具体细节，如果你感兴趣的话，可以关注“阿Q说代码”！你也可以后台留言说出你的疑惑，阿Q将会在后期的文章中为你解答。