浅谈Java虚拟机(一)—什么是Java虚拟机

一、简介

    首先,来看下面这张图,Java技术体系所包含的内容:

Oracle Java SE 8 产品组件

    上图来自于Oracle官网 java SE(java 平台标准版) 8 产品文档(https://docs.oracle.com/javase/8/docs/index.html),先别被这么多东西唬住,总体来说,Java SE包括了 JDK(开发工具包)与 JRE(运行环境)。

    开发人员要使用java开发,就需要依赖JDK,JDK中主要包含了编译与调试工具,例如 javac(编译) 、jconsole(打开分析控制台,用来调试)命令,没有JDK,就没法编译java代码,编译后的文件需要一个特殊的环境加载运行,而这个环境就包含在JRE中,因此,一般来说,JDK中包含了JRE。

    JRE中又有什么呢,JRE中主要包含了java运行的核心类库(例如常用的java.util.*, com.sun.*, javax.net.*等等)以及今天要讲的java虚拟机,因此,JRE是保证java程序运行的必要条件。

二、Java虚拟机

    2.1 虚拟机概况

        要理解Java虚拟机,首先要知道虚拟机是什么,虚拟机 Virtual Machine ,简称VM,一个模拟硬件运行的虚拟系统。如果觉得抽象,可以对比VR(Virtual Reality,即虚拟现实),它们都是用程序模拟真实存在的现实(硬件),如同VR构造一个虚拟世界,VM构造了一个假的完整硬件系统,包括硬盘、CPU、网卡、I/O设备等;VR需要调动视觉以及触觉让人感受真实,VM也一样,需要借助真实硬盘进行数据持久化,需要桥接真实网络进行网络通讯等来实现一个“真实”的硬件系统。

        上面也提到,虚拟机本质就是一个程序,运行在一个隔离的环境中,这也是虚拟机主要优点之一,可以将虚拟机内部的数据封装并与外界系统隔离,运行在虚拟机内部的指令或程序不再需要关注外部各种复杂的环境或系统,适配工作交给虚拟机即可,这也是java “一处编译,到处运行”的口号实现的基石。    

        可以按照用途把虚拟机大致分为两大类:

            1.系统虚拟机,即对物理计算机的完全仿真,可以安装各类操作系统(windows,linux...),例如 VMware Workstation、Visual Box等。

            2.程序虚拟机,专门为执行单个计算程序而产生,最典型的就是Java虚拟机。

    2.2 Java虚拟机

        有了对虚拟机的基本认识,Java虚拟机(Java Virtual Machine,简称JVM)就很好理解了,Java虚拟机属于程序虚拟机,是专门执行字节码文件命令的虚拟机。

        这里,有一个误区,Java虚拟机并不只是运行java程序,而是运行字节码文件命令,也就是.class文件,它是由我们熟悉的.java文件经过编译器编译而来,但又并不只是.java文件能够编译为字节码文件,还有Kotlin、JRuby、Groovy等程序文件,它们通过自己的编译器都可以编译为.class文件,然后在JVM上运行,所以java虚拟机不只是平台无关,还具备语言无关的特性。

JVM的语言无关性

        解释型语言具备跨平台性质,只需要对应平台有解释器即可,例如Python,但纯解释型往往运行速度比较慢(因为要逐句把代码解释成机器语言让机器运行);而编译型语言运行速度快(启动时直接编译成机器指令,所以启动会比较慢),例如C语言,但针对不同平台必须进行不同的编译,且甚至同一段代码在不同操作系统编译后可能出现不同的运行结果。JVM(这里指当前的主流商用虚拟机HotSpot VM)作为字节码运行环境,使用解释和编译混合工作模式,既使用解释器保证启动速度,在解释过程中又有即时编译器(Just In Time,简称JIT)分析热点编译机器码保证高效运行,而且具备了跨平台性质。

三、JVM的发展史(了解即可)

自1996年初sun公司发布的JDK1.0中所包含的Sun Classic VM到今天,曾经涌现、湮灭过许多或经典或有特色的虚拟机实现。

Sun Classic / Exact VM

     Sun Classic VM是世界上第一款商用Java虚拟机,使用纯解释器方式来执行Java代码,导致用户觉得“Java语言很慢”也因此而来;

     Exact VM为JDK1.2时发布的一台虚拟机,已经具备现代高性能虚拟机雏形,即解释器与编译器混合工作模式,性能高于当时的Sun Classic VM,然而商用不久后便被后面的HotSpot VM取代。

BEA JRockit

       曾号称“世界上速度最快的Java虚拟机”,不关心程序启动速度,也就意味着这款虚拟机不包含解释器,使用纯JIT编译后执行。

IBM J9 VM

        IBM公司的主力Java虚拟机,市场定位与Sun公司的HotSpot VM接近。

MicroSoft JVM

        微软曾经也是Java语言铁杆粉丝,而这款虚拟机可以说是当时(1997年左右)Windows平台下性能最好的虚拟机,但后来Sun公司以侵权状告了微软,迫使这款虚拟机停止发展,Sun 与 微软的恩恩怨怨感兴趣的可自行查阅,但这件事不禁会让人联想,假如微软没有被告,一直主力研究与发展Java,那Java语言的地位可能今日又会大有不同。

Sun HotSpot VM

        沿用至今且目前使用范围最广,Sun JDK 和 Open JDK自带的默认虚拟机。拥有热点代码探测技术,通过执行计数器找出最有编译价值的代码,通知JIT编译器进行编译,以获取最佳执行性能。Oracle 收购 Sun 和 BEA 公司后同时拥有了两台优秀的虚拟机:HotSpot VM 以及上面提到的 JRockit VM,Oracle 在JDK 8中把 JRockit VM 中比HotSpot VM优秀的特性(例如垃圾回收器与MissionControl服务)整合进HotSpot VM。

四、总结

    本章节主要介绍了Java虚拟机是什么以及它的一些特性,下一章我们将一起来深入学习Java虚拟机内部内存结构以及各个分区的作用。

《浅谈Java虚拟机(一)—什么是Java虚拟机》

《浅谈Java虚拟机(二)—运行时数据区域》

《浅谈Java虚拟机(三)—垃圾回收》

《浅谈Java虚拟机(四)—JVM调优》


本系列文章参考文档:《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》-- 周志明

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