Java核心36讲之对Java平台的理解

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对Java平台的理解?

Java平台中有两大核心:
1. Java语言本身、JDK中所提供的核心类库和相关工具
2. Java虚拟机以及其他包含的GC

  1. Java语言本身、JDK中所提供的核心类库和相关工具

    对语言本身的了解,需要开发者非常熟悉语言的语法结构;而Java又是一种面对对象的语言,这又需要开发者深入了解面对对象的设计理念;
    Java核心类库包含集合类、线程相关类、IO、NIO、J.U.C并发包等;
    JDK提供的工具包含:基本的编译工具、虚拟机性能检测相关工具等。

  2. Java虚拟机
    Java语言具有跨平台的特性,也正是因为虚拟机的存在。Java源文件被编译成字节码,被虚拟机加载后执行。这里隐含的意思有两层:
    1)大部分情况下,编程者只需要关心Java语言本身,而无需特意关心底层细节。包括对内存的分配和回收,也全权交给了GC。
    2)对于虚拟机而言,只要是符合规范的字节码,它们都能被加载执行,当然,能正常运行的程序光满足这点是不行的,程序本身需要保证在运行时不出现异常。所以,Scala、Kotlin、Jython等语言也可以跑在虚拟机上。

围绕虚拟机的效率问题展开,将涉及到一些优化技术,例如:JIT、AOT。因为如果虚拟机加载字节码后,完全进行解释执行,这势必会影响执行效率。所以,对于这个运行环节,虚拟机会进行一些优化处理,例如JIT技术,会将某些运行特别频繁的代码编译成机器码。而AOT技术,是在运行前,通过工具直接将字节码转换为机器码。

概念:

  • JRE,也就是 Java 运行环境,包含了 JVM 和 Java 类库,以及一些模块等。
  • JDK 可以看作是 JRE 的一个超集,提供了更多工具,比如编译器、各种诊断工具等。

“Java是解释执行”这句话对不对?

不太准确。我们开发的 Java 的源代码,首先通过 Javac 编译成为字节码(bytecode),然后,在运行时,通过 Java 虚拟机(JVM)内嵌的解释器将字节码转换成为最终的机器码。但是常见的 JVM,比如我们大多数情况使用的 Oracle JDK 提供的 Hotspot JVM,都提供了 JIT(Just-In-Time)编译器,也就是通常所说的动态编译器,JIT 能够在运行时将热点代码编译成机器码,这种情况下部分热点代码就属于编译执行,而不是解释执行了。

对解释执行和编译执行问题的深入

Java 分为编译期和运行时。


 了解:
 在运行时,JVM 会通过类加载器(Class-Loader)加载字节码,解释或者编译执行。就像我前面提到的,主流 Java 版本中,如 JDK 8 实际是解释和编译混合的一种模式,即所谓的混合模式(-Xmixed)。通常运行在 server 模式的 JVM,会进行上万次调用以收集足够的信息进行高效的编译,client 模式这个门限是 1500 次。Oracle Hotspot JVM 内置了两个不同的 JIT compiler,C1 对应前面说的 client 模式,适用于对于启动速度敏感的应用,比如普通 Java 桌面应用;C2 对应 server 模式,它的优化是为长时间运行的服务器端应用设计的。默认是采用所谓的分层编译(TieredCompilation)。这里不再展开更多 JIT 的细节,没必要一下子就钻进去,我会在后面介绍分层编译的内容。

Java 虚拟机启动时,可以指定不同的参数对运行模式进行选择。 比如,指定“-Xint”,就是告诉 JVM 只进行解释执行,不对代码进行编译,这种模式抛弃了 JIT 可能带来的性能优势。毕竟解释器(interpreter)是逐条读入,逐条解释运行的。与其相对应的,还有一个“-Xcomp”参数,这是告诉 JVM 关闭解释器,不要进行解释执行,或者叫作最大优化级别。那你可能会问这种模式是不是最高效啊?简单说,还真未必。“-Xcomp”会导致 JVM 启动变慢非常多,同时有些 JIT 编译器优化方式,比如分支预测,如果不进行 profiling,往往并不能进行有效优化。

除了我们日常最常见的 Java 使用模式,其实还有一种新的编译方式,即所谓的 AOT(Ahead-of-Time Compilation),直接将字节码编译成机器代码,这样就避免了 JIT 预热等各方面的开销,比如 Oracle JDK 9 就引入了实验性的 AOT 特性,并且增加了新的 jaotc 工具。利用下面的命令把某个类或者某个模块编译成为 AOT 库。

jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class
jaotc --output libjava.base.so --module java.base
然后,在启动时直接指定就可以了。

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld
而且,Oracle JDK 支持分层编译和 AOT 协作使用,这两者并不是二选一的关系。如果你有兴趣,可以参考相关文档:http://openjdk.java.net/jeps/295。AOT 也不仅仅是只有这一种方式,业界早就有第三方工具(如 GCJ、Excelsior JET)提供相关功能。

“Write once, run anywhere.”

Java语言跨平台特性。程序从源代码到运行的三个阶段:编码——编译——运行——调试。Java在编译阶段则体现了跨平台的特点。编译过程大概是这样的:第一次编译是将Java源代码转化成.class文件字节码(.class文件就是可以到处运行的文件,不是可以直接执行的机器码)。然后Java字节码就会由JVM第二次编译被转化为目标机器代码。“到处运行”的关键和前提就是JVM。**在可以运行Java虚拟机的地方都内含着一个JVM操作系统。**Java 通过字节码和JVM这种跨平台的抽象,屏蔽了操作系统和硬件的细节从而使JAVA提供了各种不同平台上的虚拟机制,因此实现了“一次编译,到处执行”的效果。

知识扩展

对于 Java 平台的理解,有很多方面,例如:Java 语言特性,包括泛型、Lambda 等语言特性;基础类库,包括集合、IO/NIO、网络、并发、安全等基础类库。(在面试时对于日常工作应用较多的类库,面试前可以系统化总结一下,有助于临场发挥)

JVM 的一些基础概念和机制,比如 Java 的类加载机制,常用版本 JDK(如 JDK 8)内嵌的 Class-Loader,例如 Bootstrap、 Application 和 Extension Class-loader;类加载大致过程:加载、验证、链接、初始化(参考书籍:周志明的《深入理解 Java 虚拟机》,JVM 上手书籍);自定义 Class-Loader 。

垃圾收集的基本原理,最常见的垃圾收集器,如 SerialGC、Parallel GC、 CMS、 G1 等,了解对于适用于什么样的工作负载。

JDK 包含哪些工具或者 Java 领域内其他工具等,如编译器、运行时环境、安全工具、诊断和监控工具等
相对宽泛的蓝图(仅供参考)
Java核心36讲之对Java平台的理解_第1张图片

总结

Java特性:
面向对象(封装,继承,多态)
平台无关性(JVM运行.class文件)
语言(泛型,Lambda)
类库(集合,并发,网络,IO/NIO)
JRE(Java运行环境,JVM,类库)
JDK(Java开发工具,包括JRE,javac,诊断工具)

Java是解析运行吗?
不正确!
1,Java源代码经过Javac编译成.class文件
2,.class文件经JVM解析或编译运行。
(1)解析:.class文件经过JVM内嵌的解析器解析执行。
(2)编译:存在JIT编译器(Just In Time Compile 即时编译器)把经常运行的代码作为”热点代码”编译与本地平台相关的机器码,并进行各种层次的优化。
(3)AOT编译器: Java 9提供的直接将所有代码编译成机器码执行。

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