第一章-JVM和Java体系结构

JVM java jvm
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  1. 环境
  2. 前言
  3. 我们为什么要学习JVM
  4. Java VS C++
  5. Java官方文档
  6. Open JDK和Oracle JDK
  7. 什么是虚拟机
    1. 虚拟机概念
    2. Java虚拟机
      1. 作用
      2. 特点
  8. JVM的位置
  9. JVM的整体结构
  10. Java 代码执行流程
  11. JVM的架构模型
    1. 架构特点
    2. 字节码对比
    3. JVM架构总结
  12. JVM的生命周期
    1. 虚拟机的启动
    2. 虚拟机的执行
    3. 虚拟机的退出
  13. JVM发展历程

环境

系统 : Windows 10

JDK : 1.8

前言

大部分Java开发人员，除了会在项目中使用到与Java平台相关的各种高精尖技术，对于Java技术的核心Java虚拟机了解甚少。在项目的开发过程中，可能会遇到虾米那这些问题。

  • 运行着的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接OOM！
  • 想解决线上JVM GC问题，但却无从下手。
  • 新项目上线，对各种JVM参数设置一脸茫然，只好使用默认配置。
  • 每次面试之前都要重新背一遍JVM的一些原理概念性的东西，然而面试官却经常问你在实际项目中如何调优VM参数，如何解决GC、OOM等问题，一脸懵逼。

我们为什么要学习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

Java VS C++

  1. Java的垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了开发的效率，但是，垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶的必备能力。
  2. C++语言需要程序员自己来分配内存和回收内存，对于高手来说可能更加舒服，但是对于普通开发者，如果技术实力不够，很容易造成内存泄漏。而Java全部交给JVM进行内存分配和回收，这也是一种趋势，减少程序员的工作量。

Java-vs-C++

Java官方文档

Java 语言和虚拟机规范

Open JDK和Oracle JDK

在JDK11之前，Oracle JDK中还会存在一些Open JDK中没有的，闭源的功能。但在JDK11中，我们可以认为Open JDK和Oracle JDK代码实质上已经达到完全一致的程度了。主要的区别就是两者更新周期不一样

什么是虚拟机

虚拟机概念

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。

  • 系统虚拟机
    • 大名鼎鼎的Virtual Box，VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机硬件的仿真(模拟)，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
  • 程序虚拟机
    • 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。

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

JVM所处位置

jvm的位置

JVM的整体结构

从整体上看，JVM内部被划分为一下五个部分：

  1. 类加载子系统
  2. 运行时数据区
  3. 执行引擎
  4. 本地方法接口
  5. 本地方法库

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备注：

  • 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。

Java 代码执行流程

Java代码执行流程

JVM的架构模型

Java 编译器输入的指令流基木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。

架构特点

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。

字节码对比

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

    8个指令

  • 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

    2个指令

JVM架构总结

  • 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。栈的优点：跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能比寄存器差一些。
  • 时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpot VM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？因为基于栈的架构跨平台性好、指令集小，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构

JVM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（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：

  1. 程序正常执行结束
  2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  3. 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
  4. 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。
  5. 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。

JVM发展历程

  • Sun Classic VM

    • 早在 1996 年 Java 1.0 版本的时候， Sun 公司发布了一款名为 Sun Classic VM 的 J ava 虚拟机，它同时也是世界上第一款商用 Java 虚拟机， JDK1.4 时完全被淘汰。
    • 这款虚拟机内部只提供解释器。如果使用 JIT 编译器，就需要进行外挂。但是一旦使用了 J 编译器， J エ T 就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和编译器不能配合工作
    • 现在 hotspot 内置了此虚拟机。

  • Exact VM

    • 为了解決上一个虚拟机问题，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中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
      • 编译器与解释器混合工作模式
    • 只在 Solaris 平台短暂使用，其他平台上还是 classic vm
    • 英雄气短，终被 Hotspot 虚拟机替换

  • 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。
      • JDK 1. 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 JDK 6，还是使用比例较多的 JDK 8中，默认的虛拟机都是 Hotspot
      • Sun / Oracle JDK 和 OpenJDK 的默认虚拟机
      • 因此本课程中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 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

  • BEA 的 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：全而的 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、管理和分析生产坏境中的应用程序的工具。
    • 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 JDK8 中完成。整合的方式是在 Hotspot 的基础上，移植 JRockit的优秀特性。
    • 高斯林：目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人

  • 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、桌而应用、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 J9 VM ，命名为 OpenJ9，交给 Eclipse 基金会管理，也称为 Eclipse OpenJ9

  • KVM 和 CDC/CLDC Hotspot

    • Oracle 在 Java ME 产品线上的两款虛拟机为： CDC/CLDC Hotspot Implementation VM
    • KVM（Kilobyte ）是 CLDC-HI 早期产品
    • 目前移动领域地位尴尬，智能平机被 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
    • 所有的虛拟机的原则：一次编译，到处运行。

  • 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 虚拟机中的战斗机。

    • Azul VM 是 Azul Systems 公司在 Hotspot 基础上进行大量改进，运行于 Azul Systems 公司的专有硬件 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，发布了自己的 Zing JVM ，可以在通用 x86 平台上提供接近于 Vega 系统的特性。

  • 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 Hypervisor 系统上
    • Liquid VM 即是现在的 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操作系统的必要功能，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。

  • Apache Harmony

    • Apache 也曾经推出过与 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
    • 虽然目前并没有 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。

  • Microsoft JVM

    • 微软为了在工 E3 浏览器中支持 Java Applets ，开发了 Microsoft JVM 。
    • 只能在 Windows 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、不正当竞争罪名指控微软成功，赔了 Sun 很多钱。微软在 Windows SP3 中抹掉了其 VM 。现在 Windows 上安装的 JDK 都是 Hotspot

  • TaobaoJVM

    • 由 Ali JVM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（ GC invisible 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 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版木全部替换了。

  • Dalvik VM

    • 谷歌开发的，应用于 Android 系统，并在 Android 2.2 中提供了 JIT ，发展迅猛。
    • Dalvik vm 只能称作虚拟机，而不能称作“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
      • 它执行的 dek（ 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。
    • Android 5. 0 使用支持提前编译（ Ahead of Time Compilation ， AOT ）的 ART VM 替换 Dalvik VM 。

  • 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 Java 的 “ write once, run anywhere “ 遥相呼应。
    • Graal VM 在 Hotspot VM 基础上増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写好的本地库文件
    • 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，通过解释器转换为能被 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释器。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

总结

具体JVM的内存结构，其实取决于其实现，不同厂商的JVM，或者同一厂商发布的不同版本，都有可能存在一定差异。主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。

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