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JVM与Java体系结构

如果我们把核心类库的API比做数学公式的话，那么Java虚拟机的知识就好比公式的推导过程。

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Java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虚拟机扮演着举足轻重的作用
    • Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平台的一部分
  • 作为灯种文化，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、嵌入式开发到企业级应用、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咋舌。
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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”，只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。

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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文件中包含了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。

虚拟机与Java虚拟机

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，Mware就属于系统虚拟机，它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。

Java虚拟机

Java虚拟机是一台执行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。

Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。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

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

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java体系结构

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JVM整体结构

  • HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
  • 它采用解释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++程序一较高下的地步。
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执行引擎包含三部分：解释器，及时编译器，垃圾回收器

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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，可移植性差
  • 性能优秀和执行更高效
  • 花费更少的指令去完成一项操作。
  • 在大部分情况下，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，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。

举例

同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：

基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：

iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出栈，执行相加
istore_0 // 结果5入栈

而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

字节码反编译

我们编写一个简单的代码，然后查看一下字节码的反编译后的结果

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2 + 3;
    }
}

然后我们找到编译后的 class文件，使用下列命令进行反编译

javap -v StackStruTest.class

得到的文件为:

  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     i   I
            4       5     2     j   I
            8       1     3     k   I

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，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

JVM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（bootstrap class loader）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。
  • 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。
  • 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做Java虚拟机的进程。

虚拟机的退出

有如下的几种情况：

  • 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
  • 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
  • 某线程调用Runtime类或system类的exit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。

主要JVM

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
  • 默认介绍的虚拟机都是HotSpot，相关机制也主要是指HotSpot的Gc机制。（比如其他两个商用虚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HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。

  • 通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换
  • 通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

JRockit

专注于服务器端应用

  • 它可以不太关注程序启动速度，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后执行。

大量的行业基准测试显示，JRockit JVM是世界上最快的JVM。

  • 使用JRockit产品，客户已经体验到了显著的性能提高（一些超过了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的工具。

2008年，JRockit被oracle收购。

oracle表达了整合两大优秀虚拟机的工作，大致在JDK8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上，移植JRockit的优秀特性。

IBM的J9

全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9

市场定位与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，也号称是世界上最快的Java虚拟机。

2017年左右，IBM发布了开源J9VM，命名为openJ9，交给EClipse基金会管理，也称为Eclipse OpenJ9

OpenJDK -> 是JDK开源了，包括了虚拟机

Taobao JVM

由AliJVM团队发布。阿里，国内使用Java最强大的公司，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发布的国内第一个优化、深度定制且开源的高性能服务器版Java虚拟机。

  • 创新的GCIH（GCinvisible heap）技术实现了off-heap，即将生命周期较长的Java对象从heap中移到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的回收效率的目的。
  • 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inte1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。

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Contributors: liushun-ing