深入理解JVM—走进Java虚拟机

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2020-02-10 11:37:35
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1、JDK，JRE，JVM之间的关系

仅从传统意义上来看，Sun定义的Java技术体系包括：Java程序设计语言、各种平台上的JVM、Class文件格式、Java API类库、来自商业机构和开源社区的第三方Java类库。

  • JDK全程为Java SE Development Kit（Java开发工具），是用于支持Java程序开发的最小环境，提供了编译和运行Java程序所需的各种资源和工具，包括：Java程序设计语言，Java API类库，JVM。
  • JRE全称为Java runtime environment（Java运行环境），是支持Java程序运行的最小环境，包括：Java API类库中的SE API子集，JVM。
  • JVM是运行Java程序的核心虚拟机。Java Virtual Machine(Java 虚拟机)有三层含义，分别是:
    JVM规范要求
    满足 JVM 规范要求的一种具体实现(一种计算机程序)
    一个 JVM 运行实例，在命令提示符下编写 Java 命令以运行 Java 类时，都会创建一 个 JVM 实例，我们下面如果只记到JVM则指的是这个含义;如果我们带上了某种JVM 的名称，比如说是Zing JVM，则表示上面第二种含义

他们的关系可以用下图表示：


图 1 Java体系结构

2、Java的发展史

Java之父：詹姆斯·高斯林

1991年，由James Gosling博士领导的绿色计划中产生了Java语言的前生Oak(橡树)，用于嵌入式系统，没有成功； 1995年互联网发展，改名为Java，开始火爆，提出Write once ，Run anywhere的原则； 1996年1月 发布JDK1.0，jvm为Sun Classic VM； 1996年5月 首届JavaOne大会； 1997年2月 JDK1.1（内部类、反射、jdbc、javabean、rmi）； 1998年 JDK1.2 发布。同时Sun发布了JSP/Servlet、EJB规范，以及将Java分成了J2SE、 J2EE 和J2ME。 2000年5月 JDK1.3 发布，Java Hotspot VM正式发布，成为Java默认的虚拟机； 2002年2月 JDK1.4 Struts 、Hibernate、 Spring、 正则表达式 、NIO、 日志 、Xml解析器； 2004年9月 JDK1.5(tiger) 自动装箱拆箱 泛型 注解 枚举 增强for 可变参数 Spring2.X； 2006年 JDK6 JavaSe JavaEE JavaME 提供脚本语言支持 支持http服务器api； 2009年 Oralcel以74亿美元收购Sun,获得了Java商标和最具价值的HotSpot虚拟机。此时，Oracle拥有市场占有率最高的两款虚拟机HotSpot和JRockit，并计划在未来对他们进行整合：HotRockit 2011年 JDK7发布。在JDK 1.7u4中正式启用了新的垃圾回收器G1。 2014年 Java8发布, Lambda表达式、 函数式接口 、方法引用 、默认方法 、Stream； 2017年 Java9发布，加入模块化并将G1设置为默认GC，替代CMS。 2018年 Java11发布，LTS版本的JDK，发布了革命性的ZGC。 2019年 JDK12发布，加入RedHat领导开发的Shenandoah GC.

3、Java虚拟机发展史

Sun Classic VM 1996年随着JDK1.0的发布，Java使用了世界上第一款商用虚拟机，只能使用纯解释器（没有JITJust in time编译器）的方法来执行Java代码，在JDK1.4被废弃。

Exact VM Exact Memory Management 准确式内存管理；编译器和解释器混合工作以及两级即时编译器。

HotSpot VM HotSpot最初是由一家“Longview Technologies”的小公司设计的，1997年此公司被Sun收购，JDK1.3时，，HotSpot VM成为Java默认的虚拟机。 HotSpot VM的特性正如他的名字一样，它使用了热点代码探测技术： 1. 通过计数器找到最具有编译价值的代码，触发即使编译和桟上替换（OSR） 2. 通过编译器和解释器协同工作，在最优化程序响应时间和最佳的性能汇总取得平衡

JRockit BEA公司（现在已经被Oracle收购）开发，是当前世界上最快的Java虚拟机，专注于服务端应用，全部靠编译器执行（JRockit内部不包含解析器的实现）。

J9 IBM开发 原名：IBM Techn0ology for Java Virtual Machine IT4j。是除HotSpot、JRockit之外目前最有影响的三大商用虚拟机之一。

KVM kilobyte 简单、轻量、高度可移植，在手机平台运行，运行速度慢。

Azul VM/Liquid VM 高性能的Java虚拟机，在HotSpot基础上改进，专用的虚拟机。

Dalvik VM

  • 谷歌开发的，应用于Android系统，并且在Android2.2中提供了JIT
  • Dalvik VM只能称作虚拟机，而不能称作“Java虚拟机”，因为他没有遵循Java虚拟机规范，因此不能直接执行Java的class文件
  • 采用了寄存器指令集架构而不是栈结构，执行dex（dalvik Executable）文件。

Microsoft JVM Microsoft 为了在IE3浏览器中支持Java Applets,开发了Microsoft JVM，它只能运行在windows下面。1997年，Sun以商标侵权，不正当竞争罪名指控微软成功后，微软在Windows XP SP3中去掉了Microsoft JVM虚拟机，现在Windows上安装的JDK中都是HotSpot VM。

Taobao VM

  • 基于openJDK开发自己的定制版本AlibabJDK，简称AJDK。是整个阿里Java体系的基石。
  • 基于OpenJDK 、HotSpot VM深度定制并且开源的高性能服务器版JVM。

4、Java虚拟机的概念

4.1 虚拟机的分类

虚拟机（Virtual Machinel），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Visual Box、VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对真实计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
  • 程序虚拟机：典型代表就是Java虚拟机（JVM）,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作Java字节码指令。
4.2 Java虚拟机
  • Java虚拟机是一台执行Java字节码的程序虚拟计算机，他拥有独立的运行机制，虽然他叫Java虚拟机，但其运行的字节码指令未必全是有Java语言编译而成，JVM是一个跨语言的平台。
  • 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，以及可靠的即时编译器。

  • Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM），因为所有的Java程序最终运行在JVM内部。

  • JVM的作用：JVM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。

  • 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......
4.3 JVM的整体结构

上面介绍到JVM是一种用于专门执行单个计算机程序而设计的程序虚拟机，他主要包括类加载子系统、运行时数据区（内存结构）和执行引擎（包括垃圾回收器）三部分组成，关于JVM的组成如下图所示：


图4.3 JVM整体结构示意简图

各部分功能简介 1）类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载Class信息，加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中可能还会存放运行时常量池信息，包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）。

2）Java堆在虚拟机启动的时候建立，它是Java程序最主要的内存工作区域。几乎所有的Java对象实例都存放在Java堆中。堆空间是所有线程共享的，这是一块与Java应用密切相关的内存空间。

3）Java的NIO库允许Java程序使用直接内存。直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于Java堆。因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

4）垃圾回收系统是Java虚拟机的重要组成部分，垃圾回收器可以对方法区、Java堆和直接内存进行回收。其中，Java堆是垃圾收集器的工作重要场所。和C/C++不同，Java中所有的对象空间释放都是隐式的，也就是说，Java中没有类似free()或者delete()这样的函数释放指定的内存区域。对于不再使用的垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默工作，默默查找、标识并释放垃圾对象，完成包括Java堆、方法区和直接内存中的全自动化管理。

5）每一个Java虚拟机线程都有一个私有的Java栈，一个线程的Java栈在线程创建的时候被创建，Java栈中保存着帧信息、局部变量、方法参数，同时和Java方法的调用、返回密切相关。

6）本地方法栈和Java栈非常类似，最大的不同在于Java栈用于Java方法的调用，而本地方法栈则用于Native方法的调用，作为对Java虚拟机的重要扩展，Java虚拟机允许Java直接调用本地方法（通常使用C编写）

7）**PC（Program Counter Register）**也是每一个线程私有的空间，Java虚拟机会为每一个Java线程创建PC。在任意时刻，一个Java线程总是在执行一个方法，这个正在被执行的方法称为当前方法。如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会指向当前正在被执行的指令。如果当前方法是本地方法，那么PC寄存器的值就是undefined

8)执行引擎是Java虚拟机的最核心组件之一，它负责执行虚拟机的字节码，现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术(JIT)将Java方法编译成机器码后再执行。

4.4 JVM的指令集架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于桟的指令集架构，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，这两种指令集架构之间的区别如下：

  • 基于桟的指令集架构的特点
  1. 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统
  2. 避开了寄存器分配难题，使用零地址指令方式分配；
  3. 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桟，指令集更小，编译器更容易实现
  4. 不要需要依赖具体的硬件，可移植性好。
  • 基于寄存器的指令集架构放入特点
  1. 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
  2. 指令集完全依赖硬件，可移植性差
  3. 性能更优秀，指令执行效率高
  4. 花费更少指令去完成一项操作
  5. 在大部分情况下，基于寄存器的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。
4.5 JVM的生命周期

4.5.1 JVM的启动 Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstarp class loader）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。 4.5.2 JVM的执行

  • 一个运行中的JVM有着一个清晰的任务：执行Java程序
  • 程序开始执行JVM才启动，程序执行结束JVM就停止
  • 执行一个所谓的Java程序的时候，真正在执行的其实是一个Java虚拟机进程。

4.5.3 JVM的退出 以下几种情况JVM会退出：

  • 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虚拟机进程异常退出
  • 某个线程调用Runtime类或者System类的exit（）方法，或调用了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来加载或卸载JVM时，JVM退出的情况

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