JVM深入虚拟机系列1-----初识JVM及JVM运行原理

一 初识JVM

• 一.1.JVM的概念
• 一.2.JVM发展历史
• 一.3.JVM种类
• 一.4.Java语言规范
• 一.5.JVM规范

二 JVM运行原理

• 1.JVM启动流程
• 2.JVM基本结构
• 3.内存模型
• 4.编译和解释运行的概念

1.JVM的概念

JVM是Java Virtual Machine的简称。意为Java虚拟机 虚拟机:指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统. 有哪些虚拟机: VMWare Visual Box JVM VMWare或者Visual Box都是使用软件模拟物理CPU的指令集(硬盘内存都是真实存在的) JVM使用软件模拟Java 字节码的指令集(虚拟的虚拟机)

2.JVM发展历史

1996年 SUN JDK 1.0 Classic VM: 纯解释运行，使用外挂进行JIT 1997年 JDK1.1 发布: ---AWT、内部类、JDBC、RMI、反射 1998年 JDK1.2 Solaris Exact VM --- JIT 解释器混合 --- Accurate Memory Management 精确内存管理，数据类型敏感 --- 提升的GC性能 (JDK1.2开始 称为Java 2J2SE J2EE J2ME 的出现加入Swing Collections )

2000年 JDK 1.3 Hotspot 作为默认虚拟机发布(加入JavaSound
)
2002年 JDK 1.4 Classic VM退出历史舞台(Assert 正则表达式 NIO IPV6 日志API 加密类库
)
2004年发布 JDK1.5 即 JDK5 、J2SE 5 、Java 5
— 泛型
— 注解
— 装箱
— 枚举
— 可变长的参数
— Foreach循环
JDK1.6 JDK6
— 脚本语言支持
— JDBC 4.0
— Java编译器 API
2011年 JDK7发布
— 延误项目推出到JDK8
— G1
— 动态语言增强
— 64位系统中的压缩指针
— NIO 2.0
2014年 JDK8发布
— Lambda表达式
— 语法增强 Java类型注解
— 2016年JDK9
— 模块化
JVM-Java和JVM的大事记
使用最为广泛的JVM为HotSpot
HotSpot 为Longview Technologies开发 被SUN收购
2006年 Java开源 并建立OpenJDK
— HotSpot 成为Sun JDK和OpenJDK中所带的虚拟机
2008 年 Oracle收购BEA
— 得到JRockit VM
2010年Oracle 收购 Sun
— 得到Hotspot
Oracle宣布在JDK8时整合JRockit和Hotspot，优势互补
— 在Hotspot基础上，移植JRockit优秀特性

3.JVM种类

KVM
— SUN发布
— IOS Android前，广泛用于手机系统
CDC/CLDC HotSpot
— 手机、电子书、PDA等设备上建立统一的Java编程接口
— J2ME的重要组成部分
JRockit
— BEA
IBM J9 VM
— IBM内部使用
Apache Harmony
—兼容于JDK 1.5和JDK 1.6的Java程序运行平台
—与Oracle关系恶劣 退出JCP ，Java社区的分裂
—OpenJDK出现后，受到挑战 2011年 退役
—没有大规模商用经历
—对Android的发展有积极作用

4.Java语言规范

Java语言规范
— 语法
— 变量
— 类型
— 文法

1. 语法定义:

   if(true){do sth;}
   add(a,b,c,d);

2. 词法结构
   — \u + 4个16进制数字 表示UTF-16
   — 行终结符： CR, or LF, or CR LF.
   — 空白符
   . 空格 tab \t 换页 \f 行终结符
   — 标示符
   — 关键字
   Int:
   —0 2 0372 0xDada_Cafe 1996 0x00_FF__00_FF
   Long:
   —0l 0777L 0x100000000L 2_147_483_648L 0xC0B0L
   Float:
   —1e1f 2.f .3f 0f 3.14f 6.022137e+23f
   Double:
   —1e1 2. .3 0.0 3.14 1e-9d 1e137
   操作:
   — += -= *= /= &= |= ^= %= <<= >>= >>>=

3. 类型和变量
   元类型:
   byte short int long float char
   变量初始值:
   boolean false
   char \u0000
   泛型:

4. Java内存模型

5. 类加载链接的过程

6. public static final abstract的定义

7. 异常

8. 数组的使用
   …….

5.JVM规范

Java语言规范定义了什么是Java语言
Java语言和JVM相对独立
Groovy Clojure Scala这些语言也能在JVM上运行
JVM主要定义二进制class文件和JVM指令集等

• Class 文件格式
• 数字的内部表示和存储
• Byte -128 to 127 (-27 to 27 - 1)
• returnAddress 数据类型定义
• 指向操作码的指针。不对应Java数据类型，不能在运行时修改。Finally实现需要
• 定义PC
• 堆
• 栈
• 方法区
  整数的表达
  原码：第一位为符号位（0为正数，1为负数）
  反码：符号位不动，原码取反
  负数补码：符号位不动，反码加1
  正数补码：和原码相同
  打印整数的二进制表示
  int a=-6;
  for(int i=0;i<32;i++){
  int t=(a & 0x80000000>>>i)>>>(31-i);
  System.out.print(t);
  }
  例:-6
  原码： 10000110
  反码： 11111001
  补码： 11111010
  -1
  原码： 10000001
  反码： 11111110
  补码： 11111111
  为什么要用补码？
  0
  正数：00000000
  负数：10000000
  0
  正数(补码)：00000000
  0
  负数：10000000
  反码：11111111
  补码：00000000
  Float的表示与定义
  支持 IEEE 754
  s eeeeeeee mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm
  指数:8 尾数:23
  e全0 尾数附加位为0 否则尾数附加位为1
  sm2^(e-127)
  -5
  11000000101000000000000000000000
  -1*2^(129-127)*(20+2^-2)
  一些特殊的方法
  < clinit>
  < init>
  VM指令集
  类型转化
  — l2i
  出栈入栈操作
  — aload astore
  运算
  — iadd isub
  流程控制(=和!=)
  — ifeq ifne
  函数调用 调用接口 静态…
  — invokevirtual invokeinterface invokespecial invokestatic
  JVM需要对Java Library 提供以下支持：
  反射 java.lang.reflect
  ClassLoader
  初始化class和interface
  安全相关 java.security
  多线程
  弱引用
  JVM的编译
  源码到JVM指令的对应格式
  Javap
  JVM反汇编的格式
• < index> < opcode> [ < operand1> [ < operand2>… ]] [< comment > ]

二.JVM运行原理

1.JVM启动流程

2.JVM基本结构

PC寄存器:

• 每个线程拥有一个PC寄存器
• 在线程创建时 创建
• 指向下一条指令的地址
• 执行本地方法时，PC的值为undefined

方法区:
1.保存装载的类信息:

• 类型的常量池
• 字段，方法信息
• 方法字节码

2.通常和永久区(Perm)关联在一起(JDK6时，String等常量信息置于方法JDK7时，已经移动到了堆)
Java堆

• 和程序开发密切相关
• 应用系统对象都保存在Java堆中
• 所有线程共享Java堆
• 对分代GC来说，堆也是分代的
• GC的主要工作区间

Java栈

• 线程私有
• 栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫做帧栈）
• 帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针
• 每一次方法调用创建一个帧，并压栈

栈实例:

Java栈总结 – 栈上分配

• 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下，可以直接分配在栈上
• 直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力
• 大对象或者逃逸对象无法栈上分配

栈、堆、方法区交互

3.内存模型

可见性:一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道
保证可见性的方法:

1. volatile
2. synchronized （unlock之前，写变量值回主存）
3. final(一旦初始化完成，其他线程就可见)

有序性:

1. 在本线程内，操作都是有序的
2. 在线程外观察，操作都是无序的。（指令重排 或 主内存同步延时）

指令重排:

1. 线程内串行语义:
   写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后，再读这个位置。
   写后写 a = 1;a = 2; 写一个变量之后，再写这个变量。
   读后写 a = b;b = 1; 读一个变量之后，再写这个变量。
   以上语句不可重排
   编译器不考虑多线程间的语义
   可重排： a=1;b=2;

指令重排的基本原则:

• 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性
• volatile规则：volatile变量的写，先发生于读
• 锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)前
• 传递性：A先于B，B先于C 那么A必然先于C
• 线程的start方法先于它的每一个动作
• 线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）
• 线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码
• 对象的构造函数执行结束先于finalize()方法

4.编译和解释运行的概念

解释运行:
解释执行以解释方式运行字节码
解释执行的意思是：读一句执行一句
编译运行（JIT）:
将字节码编译成机器码
直接执行机器码
运行时编译
编译后性能有数量级的提升