JVM从入门到精通01

Posted 2021-10-03 达少Rising

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JVM从入门到精通01相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本笔记来源于学习尚硅谷的JVM课程

前言

1.为什么要学习JVM

面试的需要（BATJ、TMD、PKQ等面试都爱问）
中高级程序员必备技能：项目管理、调优的需要
追求极客的精神：比如：垃圾回收算法，JIT，底层原理

2、如何看待Java上层技术和JVM的关系

3、Java VS C++

4、Java的生态圈

Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java以及Java社区的不断壮大，Java也早已不再是简简单单的一门计算机语言了，它更是一个平台、一种文化、一个社区。

作为一个平台，Java虚拟机扮演者举足轻重的作用
- Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平台的一部分
作为一种文化，Java几乎成为了“开源”的代名词
- 第三方开源软件和框架。如Tomcat、Struts、Mybatis、Spring等
- 就连JDK和JVM自身也有不少开源的实现，如OpenJDK、Harmony
作为一个社区，Java拥有全世界最多的技术拥护者和开源社区支持，有数不清的论坛和资料。从桌面应用软件、犬儒是开发到企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到Java的身影。其应用形式之复杂，参与人数之众多也令人咂舌。

5、Java跨平台的语言

Write once, run anywhere

6、JVM：夸语言的平台

随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。
Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的，**它只关心“字节码” 文件。**也就是说Java虚拟机拥有语言无关性，并不会单纯地与Java语言“终身绑定”，只要其他语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号集以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能被虚拟机所识别并装载运行。
Java不是最强大的语言，但是JVM是最强大的虚拟机。

7、字节码

我们平时说的Java字节码，指的是用Java语言编译成的字节码，准确的说任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为：jvm字节码。
不同的编译器，可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的JVM上运行。
Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式——Class文件格式所关联，Class文件只包含了Java虚拟机指令集（或者称为字节码，Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。

8、或语言混合编程

Java平台的多语言混合编程正式成为主流，通过特定领域的语言去解决特定领域的问题是当前软件开发应对日趋复杂的项目需求的一个方向。

试想一下，在一个项目中，并行处理用Clojure语言编写，展示层使用JRuby/Rails，中间层则是Java语言，每个应用层都将使用不同的编程语言来完成，而且，接口对每一层的开发者都是透明的，各种语言的交互不存在任何困难，就像使用自己的原生API一样方便，因为他们最终都运行在一个虚拟机上。

对这些运行在Java虚拟机之上、Java之外的语言，来自系统级的、底层的支持正在迅速增强，以JSR-292为核心的一系列项目和功能改进（如DaVinci Machine项目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang’invoke包等），推动Java虚拟机从“Java语言的虚拟机”向“多语言虚拟机”的方向发展。

9、Java发展的重大事件

10、Open JDK 和 Oracle JDK

在JDK11之前，oracleJDK还会存在一些OpenJDK中没有的、闭源的功能。但在JDK11中，我们可以人为OpenJDK和OracleJDK代码实质上已经完全一致的程度。

1、虚拟机与Java虚拟机

1.1、虚拟机

所谓虚拟机（Virtual Machine），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机计算机指令。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就是属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供一个可运行完整的操作系统的软件平台。
- 程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它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，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

1.2、Java虚拟机

Java虚拟机就是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成。
JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性，优秀的垃圾回收器，以及可靠的即时编译器。
Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。
作用：Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到内部，解析/编译为对应平台的机器执行指令。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。
特点：
- 一次编译，到处运行
- 自动内存管理
- 自动垃圾回收功能

1.3、JVM的位置

JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

1.4、JVM的整体结构

HostSpot VM是目前市面上高性能的虚拟机代表作之一。
它采用解析器与即时编译器并存的架构。
在今天，Java程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++一较高下的地步。

1.5、Java代码执行流程

1.6、JVM的架构模型

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，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。
具体来说：这两种架构之间的区别：

基于栈式架构的特点：
- 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，便一起容易实现；
- 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台。
基于寄存器架构的特点：
- 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硬件，可移植性查；
- 性能优秀和执行更高效；
- 话费更少的指令完成一项操作；
- 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。

举例1：同样执行2+3这种逻辑操作其指令分别如下

基于栈式的计算过程（以Java虚拟机为例）

package com.weeks.chapter01;

/**
 * @author 达少
 * @version 1.0
 */
public class StackTest {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 2;
        int b = 3;
        int c = a + b;
    }
}

反编译指令：javap -v ClassFileName.class

E:\\application_workspaces\\IntellJ\\JVMDemo\\out\\production\\JVMDemo\\com\\weeks\\chapter01>javap -v StackTest.class
Classfile /E:/application_workspaces/IntellJ/JVMDemo/out/production/JVMDemo/com/weeks/chapter01/StackTest.class
  Last modified 2021-9-12; size 476 bytes
  MD5 checksum 2c53902c47beccef25ba639d9e7af0bf
  Compiled from "StackTest.java"
public class com.weeks.chapter01.StackTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #22            // com/weeks/chapter01/StackTest
   #3 = Class              #23            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lcom/weeks/chapter01/StackTest;
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               args
  #14 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               a
  #16 = Utf8               I
  #17 = Utf8               b
  #18 = Utf8               c
  #19 = Utf8               SourceFile
  #20 = Utf8               StackTest.java
  #21 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #22 = Utf8               com/weeks/chapter01/StackTest
  #23 = Utf8               java/lang/Object
{
  public com.weeks.chapter01.StackTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/weeks/chapter01/StackTest;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 2
        line 11: 4
        line 12: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            2       7     1     a   I
            4       5     2     b   I
            8       1     3     c   I
}
SourceFile: "StackTest.java"

基于寄存器的计算流程
- 总结
- 由于跨平台的设计，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。优点是跨平台，指令集小，编译容易实现，缺点就是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
- 时至今日尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流平台（准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了）。

1.7、JVM的生命周期

虚拟机的启动：Java虚拟机的启动是通过引导加载器（bootstrap classloader）创建一个初始类（initial class）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
- 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。
- 程序开始执行时它才运行，程序结束时它就停止。
- 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫Java虚拟机的进程。
虚拟机的退出，有如下几种情况：
- 程序正常执行结束
- 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
- 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
- 某线程调用Runtime类或System类的eixt方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作。
- 除此之外，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。

1.8、JVM发展历程

（1）Sun Classic VM

早在1996年Java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为Sun Classic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时完全淘汰
这款虚拟机内部只提供了解析器。
如果使用JIT编译器，需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解析器就不再工作。解析器和编译器不能配合工作。
现在hostspot内置了此虚拟机。

举个例子解析解析器和编译器的作用：
好像从乡下进入大城市，如果只使用解析器那么就像一路上只使用步行的方式，这种方式响应快但是执行速度慢。而只使用编译器工作就行搭公交，这种方式比步行快，但是这种方式需要等待公交车话费时间，可能途中需要多次换乘，所以会出现卡顿的情况。所以现在一般使用解析器和编译器配合工作，将热点代码（就是经常使用的代码）进行编译暂存起来方便调用，解析器将一些只执行一次的代码进行解析执行。

（2）Exact VM

为了解决上一个虚拟机问题，jdk1.2时，sun提供了此虚拟机。
Exact Memory Management：准确式内存管理
- 也可以叫Non-Conservative/Accurate Memory Management
- 虚拟机可以知道内存某个位置的数据具体是什么类型。
具备现代高性能虚拟机的雏形
- 热点探测
- 编译器与解析器混合工作模式
只在Solaris平台短暂使用，在其他平台还是classic VM
- 英雄气短，终被Hotspot虚拟机替换。

（3）Sun公司的HotSpot VM

HotSpot历史
- 最初由一家名为“Longview Technologies”的小公司设计
- 1997年，此公司被Sun收购；2009年，Sun公司被甲骨文收购
- JDK1.3时，HotSpot VM成为默认虚拟机。
目前HotSpot占有绝对的市场地位，称霸武林。
- 不管是现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中，默认的虚拟机都是HotSpot
- Sun/Oracle JDK 和 OpenJDK的默认虚拟机
- 因此在本知识体系中介绍的虚拟机都是HotSpot，相关机制也是主要是指HotSpot的GC机制。（比如其他两个商用虚拟机都没有方法区的概念）
从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用
名称中的otSpot指的就是它的热点代码探测技术。
- 通过计数器找到具有编译价值代码，触发即时编译或者栈上替换
- 通过编译器与解析器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡。

（4）BEA 的 JRockit

专注于服务器端应用
- 它可以不太关注程序启动熟读，因此JRockit内部不包含解析器实现，全部代码都靠即时编译器编译执行。
大量的行业基准测试显式，JRockit JVM是世界上最快的JVM。
- 使用JRockit产品，客户已经体验到显著的性能提高（一些超过70%）和硬件成本的减少（达50%）。
优势：全面的Java运行时解决方案组合
- JRockit面向延迟敏感型应用的解决方案JRockit Real Time提供以毫秒或微秒级别的JVM响应时间，适合财务、军事指挥、电信网络的需要
- MissionControl服务套件，它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工具。
2008年，BEA被Oracle收购
Oracle表达了整合两大优秀虚拟机的工作，大致在JDK 8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上，移植JRockit的优秀特性。

（5）IBM 的 J9

全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9
市场定位为HotSpot接近，服务器端、桌面应用、嵌入式等多用途VM
广泛用于IBM的各种Java产品
目前，有影响力的三大商用虚拟机之一，也号称世界上最快的Java虚拟机。
2017年左右，IBM发布了开源J9 VM，命名OpenJ9，交给Eclipse基金会管理，也称为Eclipse Open J9

（6）KVM 和 CDC/CLDC HotSpot

Oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为：CDC/CLDC HotSpot Implementation VM
KVM（Kilobyte）是CLDC-HI早期产品
目前移动领域地位尴尬，只能手机被Android和ios二分天下。
KVM简单、轻量、高度可移植，面向更低端的设备上还维持自己的一片市场
- 智能控制器、传感器
- 老人手机，经济欠发达地区的功能手机
所有的虚拟机的原则：一次编译，到处运行。

（7） Azul VM

前面三大”高性能Java虚拟机“使用在通用硬件平台上
这里Azul VM 和 BEA Liquid VM是与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机。
- 高性能Java虚拟机的战斗机。
Azul VM是Azul Systems公司在HotSpot基础上进行大量改进，运行于Azul Systems公司的专用硬件Vega系统上的Java虚拟机。
- 每个Azul VM实例都可以管理至少数十个CPU和数百GB内存的硬件资源，并提供在巨大内存范围内实现可控的GC时间的垃圾收集器、专有硬件优化的线程调度等优秀特性。
2010年，Azul Systems公司开始从硬件转向软件，发布自己的Zing JVM，可以在通用x86平台上提供Vega系统的特性。

（8）Liquid VM

高性能Java虚拟机中的战斗机。
BEA公司开发的，直接运行在自家的Hypervision系统上
Liquid VM即是现在JRockit VE（Virtual Edition），Liquid VM不需要操作系统的支持，或者说它自己本身实现了一个专用系统的必要功能，如线程调度、文件系统、网络支持等。
随着JRockit虚拟机终止开发，Liquid VM项目也停止了。

（9）Apache Harmony

Apache也曾经退出过与JDK 1.5和JDK 1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony
它是IBM和Intel联合开发的开源JVM，受到同样开源的OpenJDK的压制，sun坚决不让Harmony获得JCP认证，最终于2011年退役，IBM转而参与OpenJDK
虽然目前没有Apache Harmony被大规模商用的案例，但是它的Java类库代码吸纳进了Android SDK.

（10）Microsoft JVM

微软为了在IE3浏览器中支持Java applets，开发Microsoft JVM。
只能在window平台下运行。但确是当时Windows下性能最好的Java VM。
1997年，Sun以侵犯商标、不正当竞争为名指控微软成功，赔了sun很多钱。微软在WindowsXP SP3中抹掉了其VM。现在windows上安装的jdk都是HotSpot。

（11）TaobaoJVM

由AliJVM团队发布。阿里，国内使用Java最大强大的公司，覆盖云计算、金融、物流、电商等众多领域，需要解决高并发、高可用、分布式的复合问题。有大量的开源产品。
基于OpenJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK，简称AJDK。是整个阿里Java体系的基石。
基于OpenJDK HotSpot VM发布的国内第一优化、深度定制且开源的高性能服务器版本Java虚拟机。
- 创新GCIH（GC invisible heap）技术实现了off-heap，即将生命周期较长的Java对象从heap之外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的收效率的目的。
- GCIH中的对象还能够在多个Java虚拟机进程中实现共享。
- 使用crc32指令实现 JVM intrinsic 降低JNI的调用开销
- PMU hardware 的Java profiling tool 和诊断协助功能
- 针对大数据场景的ZenGC
taobao VM应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖intel的CPU，损失了兼容性，但提高了性能。
目前已经在淘宝、天猫上线，把Oracle官方JVM版本全部替换了。

（12）Dalvik VM

谷歌开发的，应用于Android系统，并在Android2.2中提供了JIT，发展迅猛。
- Dalvik VM只能称为虚拟机，而不能称为“Java虚拟机”，它没有遵循Java虚拟机规范
- 不能直接执行Java 的 class文件
基于寄存器架构，不是JVM的栈架构。
执行的是编译以后的dex（Dalvik Executable）文件。执行效率比较高。
- 它执行dex（Dalvik Executable）文件可以通过class文件转化而来，使用Java语法编写应用程序，可以直接使用大部分的Java API等
Android5.0使用支持提前编译（Ahead of time Compilation， AOT）的ART VM替换Dalvik VM。

（13） Graal VM

2018年4月，Oracle Labs公开了Graal VM，号称“Run Programs Faster Anywhere”，勃勃野心。与1995年的Java的“Write once，run anywhere”遥相呼应。
Graal VM在HotSpot VM基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机，可以作为“任何语言的运行平台使用”。语言包括：Java、Scala、Groovy、Kotlin；C、C++、javascript、Ruby、Python、R等
支持不同语言中混用对方的接口和对象，支持这些语言使用已经编好的本地库文件
工作原理是将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式，通过解析器转换为能被Graal VM接受的中间表示。Graal VM提供Truffle工具集快速构建面向一种新语言的解析器。在运行时还能进行即时编译优化，获得比原生编译器更优秀的执行效率。
如果说HotSpot有一天真的被取代，Graal VM希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化。

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