Java基础篇(JVM)——总领

Posted 2021-01-10 lilei94

这篇文章由几个问题组成，目的是想厘清JVM的一些基本概念，同时最后引出JVM知识体系的几大块，以后的文章就围绕这几大块展开。

1. 什么是JVM？它有什么作用？

JVM是Java虚拟机的简写，Java是先编译后解释型的语言，其最初设计的目的是“一次编写，到处运行”，也就是要实现平台的无关性，这个特性正是通过使用JVM实现的。

编译器首先将Java程序编译成字节码.class文件，再由JVM加载，解释成机器指令给不同的系统（从这个意义上说，Java属于解释型语言，因为它并非是直接将代码编译成机器可以理解的二进制文件）。不同系统的JVM是不一样的，但是都能处理.class文件，所以不同运行平台都能处理程序员编写的同一份Java代码。而对于其它传统编程语言来说（如C/C++），由于它和底层密切相关，其基础类型的字节长度是不一样的，导致平台兼容性就差了很多。

2. JVM的特性有哪些？

（1）基于栈的虚拟机：不同于Intel x86和ARM等比较流行的计算机处理器都是基于寄存器^[1]（register）架构，JVM是基于栈执行的。（通过.class文件反编译（javap -verbose xxx.class）后的字节码文件可以看到，JVM是通过栈将指令逐条压入的）

（2）符号引用：处基本类型以外的所有Java类型都是通过符号引用取得关联的，而非显式的基于内存地址的引用。（类加载机制过程是加载-连接-初始化-使用-卸载，其中，连接分成三步：准备、验证、解析，解析阶段的目的就是将符号引用转变成直接引用）

（3）垃圾回收机制：类的实例由用户显式创建，通过垃圾回收机制进行销毁。

（4）基本类型长度与平台无关。

（5）网络字节序：Java .class文件的二进制表示使用的是基于网络的字节序，即大端（big endian）字节序，保证了各个平台之间的统一性。

（大端字节序：即低位地址存储数据的高位值；小端字节序则相反。

网络字节序是大端字节序，也就是说在网络传输过程中，首先接收到的是数字的高位值。

Intel x86使用小端字节序，RISC^[2]系列平台使用了大端字节序）

3. 有哪些类型的JVM？

 最主流的是HotSpot VM，是Sun JDK和open JDK共同使用的VM，由于09年Oracle收购了BEA和Sun，在JDK 1.8之后的HotSpot VM是原来的HotSpot VM和JRockit VM的合并版。

HotSpot VM的优点是可以动态编译^[3]，大大提升了程序执行的性能。

其它的还有：IBM的J9 VM、Zing VM等。

另外，android平台上的Dalvik，虽然名义上不叫JVM，但它可以将Java代码转化成Dalvik可以使用的代码，其功能基本和JVM相同，也可以归作JVM。（为此，Oracle还告了Google）

4. 字节码是什么？

 字节码是程序代码到机器码之间的中间代码。JVM并非一次性将所有字节码读入内存，而是在使用时加载（类加载机制）；同时也并非将所有的字节码都预先解释成机器码，而是通过JIT技术，仅解释部分热点代码以提高性能。

可以用JDK自带的反编译命令javap -verbose查看字节码，这时可以看到JVM基于栈的设计，对每个指令都是入栈出栈来执行，另外，还可以看到JVM是符号引用，而非指向直接内存地址的引用；也可以用16进制工具winHex查看字节码，这时会看到魔数、版本号、常量池（个数、类型等）等信息。

5. JDK、JRE和JVM的关系是什么？

JDK包含了JRE，还包含开发工具（编译工具javac、反编译工具javap、打包工具jar等）；

JRE是Java程序运行环境，包含了JVM，还包含其它的程序运行需要的系统API，如rt.jar等。

JVM是运行Java程序的核心，用来处理字节码、管理内存等。

6. JVM知识体系分哪几部分？

在我这里，将JVM知识体系分成五个部分：

（1）类的加载机制；

（2）JVM内存模型和内存结构；

（3）GC策略/算法;

（4）GC分析、JVM调优；

（5）虚拟机性能监控与故障处理。

先总述一下这几大块的关系：

对于已有的Java程序代码，首先将其编译成字节码，然后需要加载进内存中，这时要用到类的加载机制（包括类如何加载，什么时候加载，什么时候使用与卸载等）；加载进内存中需要分配内存空间，所以要了解JVM的内存模型和内存结构；JVM会针对程序进行GC，所以要了解什么时候GC、如何GC等；接下来还会涉及到JVM调优，调优主要针对的是GC，所以调优之前首先要分析GC的运行情况；最后了解HotSpot虚拟机相关的知识以及虚拟机性能监控和故障处理的知识。

以后JVM的文章大致就围绕这几块展开。

 

注：

[1] 寄存器：是CPU中的部件，读写速度非常快，可用来进行算术和逻辑运算、存储地址（寻址）等

[2] RISC：即精简指令集的简写。RISC是CPU的一种设计模式，它对指令数目和寻址方式做了精简，且所有指令的格式一致，指令周期相同，使得硬件只用执行简单的那部分指令，其它复杂指令则通过简单指令复合而成。它的实现更容易，并行程度更好，编译效率更高。

[3] 动态编译：也可以叫做JIT。Java是先将程序代码编译成字节码，再由虚拟机解释给不同的机器来执行。使用HotSpot VM，虚拟机可以读入字节码之后，不将所有的字节码都逐条解释成机器码存起来，因为这样效率太低，而是将经常重复执行的“热点”代码先解释成机器码，并进行优化。这样可以提高性能。