【JVM系统学习之路系列】 JVM 概述篇

JVM系统学习之路系列演示代码地址：
https://github.com/mtcarpenter/JavaTutorial

前言

大家好，我是小春哥，前面我用了10多个章节对并发编程 JUC 相关知识进行梳理，如果对 JUC知识还不了解的同学，关注我的公众号【山间木匠】从菜单底部可直达，从本篇文章开始更新 JVM 相关知识点，每一个JAVA 开发者应该都能深刻体会，多线程、并发、JVM 是难点也是痛点。

国内学习 JVM 虚拟机的人几乎是人手一本，周志明大神的“深入理解Java虚拟机”书籍。我第一次看《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》看完了就忘了，对于大部分知识仍然茫然不解。后面我在年轻人都爱的学习平台 B 站找到了不错的视频，尚硅谷2020最新版宋红康JVM教程,目前也更新 300 多集，对于小白入门 学习 JVM 很有帮助。【JVM系统学习之路】将根据 尚硅谷2020最新版宋红康JVM教程章节编写博客。

推荐书籍和视频
视频：尚硅谷2020最新版宋红康JVM教程B站地址: https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ
书籍： 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》
《垃圾回收的算法与实现》
《Java虚拟机规范（Java SE 8版）》

为什么学习需要 JVM

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，直接默认，运行一段时间就挂了
• 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

• 中高级程序员必备技能

  • 项目管理、调优的需求

• 追求极客的精神

  • 比如：垃圾回收算法、JIT（及时编译器）、底层原理

计算器是如何识别高级语言 

架构师每天都在思考什么？

• 应该如何让我的系统更快？
• 如何避免系统出现瓶颈？
• 参与现有系统的性能优化，重构，保证平台性能和稳定性
• 根据业务场景和需求，决定技术方向，做技术选型
• 能够独立架构和设计海量数据下高并发分布式解决方案，满足功能和非功能需求
• 解决各类潜在系统风险，核心功能的架构与代码编写
• 分析系统瓶颈，解决各种疑难杂症，性能调优等

JVM 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

• 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。

Java 发展史

从Java的第一个版本诞生到现在已经有二十余年的时间，白驹过隙，沧海桑田，转眼已过了四分之一个世纪，在图1-3所示的时间线里，我们看到JDK的版本已经发展到了JDK 13。这二十多年里诞生过无数与Java相关的产品、技术与标准。现在让我们走入时间隧道，从孕育Java语言的时代开始，再来回顾一下Java的发展轨迹和历史变迁。

• 1990年，在Sun计算机公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team，开发出的新的程序语言，命名为oak，后期命名为Java
• 1995年，Oak语言改名为Java，并且在SunWorld大会上正式发布Java 1.0版本。Java语言第一次提出了“Write Once，Run Anywhere”的口号。
• 。
• 1996年1月23日，JDK 1.0发布，Java语言有了第一个正式版本的运行环境。
• 1997年2月19日，Sun公司发布了JDK 1.1。JDK 1.1版的技术代表有：JAR文件格式、JDBC、JavaBeans、RMI等。
• 1998年，JDK迎来了一个里程碑式的重要版本，JDK1.2版本发布。同时，sun发布了JSP/Servlet、EJB规范，以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。
• 2000年，JDK1.3发布，Java HotSpot Virtual Machine正式发布，成为Java的默认虚拟机。
• 2002年，JDK1.4发布，古老的Classic虚拟机退出历史舞台。
• 2003年年底，Java平台的scala正式发布，同年Groovy也加入了Java阵营。
• 2004年，JDK1.5发布。同时JDK1.5改名为JavaSE5.0。
• 2006年，JDK6发布。同年，Java开源并建立了openJDK。顺理成章，Hotspot虚拟机也成为了openJDK中的默认虚拟机。
• 2007年，Java平台迎来了新伙伴Clojure。
• 2008年，oracle收购了BEA，得到了JRockit虚拟机。
• 2009年，Twitter宣布把后台大部分程序从Ruby迁移到scala，这是Java平台的又一次大规模应用。
• 2010年，oracle收购了sun，获得Java商标和最真价值的HotSpot虚拟机。此时，oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机HotSpot和JRockit，并计划在未来对它们进行整合：HotRockit
• 2011年，JDK7发布。在JDK1.7u4中，正式启用了新的垃圾回收器G1。
• 2017年，JDK9发布。将G1设置为默认Gc，替代CMS
• 同年，IBM的J9开源，形成了现在的open J9社区
• 2018年，Android的Java侵权案判决，Google赔偿oracle计88亿美元
• 同年，oracle宣告JavagE成为历史名词JDBC、JMS、Servlet赠予Eclipse基金会
• 同年，JDK11发布，LTS版本的JDK，发布革命性的zGc，调整JDK授权许可
• 2019年，JDK12发布，加入RedHat领导开发的shenandoah GC

OpenJDK和Oracle JDK 的区别

在JDK11之前，oracleJDK 中还会存在一些 openJDK 中没有的、闭源的功能。但在 JDK11中，我们可以认为openJDK和oracleJDK代码实质上已经完全一致的程度。

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

Java的体系结构

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。

执行引擎包含三部分：解释器，及时编译器，垃圾回收器

Java代码执行流程

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。

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