01-JVM与Java体系结构

Java发展的重大事件

  • 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0ak,后期命名为Java.
  • 1995年,Sun正式发布Java和HotJava产品,Java 首次公开亮相。
  • 1996年1月23日Sun Microsystems发布了JDK 1.0。
  • 1998年,JDK 1.2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,JDK 1.3发布,Java HotSpot Virtual Machine正式发布,成为Java的默认虚拟机。
  • 2002年,JDK 1.4发布,古老的Classic虛拟机退出历史舞台。
  • 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,JDK 1.5发布。同时JDK 1. 5改名为JavaSE 5.0。
  • 2006年,JDK 6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 的默认虛拟机。
  • 2007年,Java平 台迎来了新伙伴Clqjure。
  • 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商标和最具价值的HotSpot虚拟机。此时,Oracle拥有市场占用率最高的两款虛拟机HotSpot和JRockit,并计划在未来对它们进行整合: HotRockit .
  • 2011年,JDK7发布。在JDK 1. 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JavaEE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

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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, VMware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虛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虛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虛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

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JVM的整体结构

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Java代码执行流程

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  • Java编译器编译过程中,任何一个节点执行失败就会造成编译失败。
  • 虽然各个平台的Java虛拟机内部实现细节不尽相同,但是它们共同执行的字节码内容却是一样的。
  • JVM的主要任务就是负责将字节码装载到其内部,解释/编译为对应平台.上的机器指令(即:汇编语言)执行。
  • Java虚拟机使朋类加载器(Class Loader) 装载class文件。
  • 类加载完成之后,会进行字节码校验,字节码校验通过之后JVM解释器会把字节码翻译成机器码(即:汇编语言)交由操作系统执行。
  • 但不是所有代码都是解释执行的,JVM对此做了优化。比如,以Hotspot虚拟机来说,它本身提供了JIT (Just In Time)
    让天下没方难学的技

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虛拟机。
    • 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方,而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。

举例1:同样执行2+3这种逻辑操作,其指令分别如下:

查看.class字节码文件javap -v StackStruTest

基于栈的计算流程(以Java虚拟机为例):

0: iconst_2 //常量2入栈
1: istore_1
2: iconst_3 //常量3入栈
3: istore_2
4: iload_1
5: iload_2
6: iadd     //常量2、3出栈,执行相加
7: istore_3 // 结果5出栈
8: return

基于寄存器的技术流程:

mov eax,2 //将eax寄存器的值设为2
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

举例2:

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总结

==由于跨平台性的设计,Java的指令都是根据栈来设计的。==不同平台CPU架构不同,所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台, 指令集小,编译器容易实现,缺点是性能下降,实现同样的功能需要更多的指令。

栈: 跨平台性、指令集小、指令多;执行性能比寄存器差

JVM的生命周期

虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader) 创建一个初始类(initial class) 来完成的,这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

虚拟机的执行

  • 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务:执行Java程序。
  • 程序开始执行时他才运行,程序结束时他就停止。
  • 执行一个所谓的Java程序的时候,真真正正在执行的是一个叫做Java虛拟机的进程。

虚拟机的退出

有如下的几种情况:

  • 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虚拟机进程终止
  • 某线程调用Runtime类或System类的exit方法,或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
    Invocation API来加载或卸载Java虚拟机时,Java 虚拟机的退出情况。

JVM 发展历程

具体JVM的内存结构,其实取决于其实现,不同厂商的JVM,或者同一厂商发布的不同版本,都有可能存在一定差异。本套课程主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。

Sun Classic VM

  • 早在1996年Javal.0版本的时候,Sun公司发布了一款名为Sun ClassicVM的Java虚拟机,它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机,JDK1. 4时完全被淘汰。
  • 这款虚拟机内部只提供解释器。
  • 如果使用JIT编译器,就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器,JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和编译器不能配合工作。
  • 现在hotspot内置了此虚拟机。

Exact VM

  • 为了解决上一个虚拟机问题,jdk1.2时,sun提供了此虚拟机。
  • Exact Memory Management: 准确式内存管理
    • 也可以叫Non一Conservative/ Accurate Memory Management
    • 虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型。
  • 具备现代高性能虚拟机的雏形
    • 热点探测
    • 编译器与解释器混合工作模式
  • 只在Solaris平台短暂使用,其他平台,上还是classic vm
    • 英雄气短,终被Hotspot虚拟机替换

SUN公司的 HotSpot VM

  • HotSpot历史
    • 最初由一家名为“Longview Technologies"的小公司设计
    • 1997年, 此公司被Sun收购;2009年,Sun公司被甲骨文收购。
    • JDK1.3时, HotSpot VM成为默认虚拟机
  • 目前Hotspot占有绝对的市场地位,称霸武林。
    • 不管是现在仍在广泛使用的JDK6,还是使用比例较多的JDK8中,默认的虚拟机都是HotSpot
    • Sun/Oracle JDK 和OpenJDK的默认虚拟机
    • 因此本课程中默认介绍的虚拟机都是HotSpot,相关机制也主要是指HotSpot的GC机制。(比如其他两个商用虚拟机都没有方法区的概念)
  • 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。
  • 名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。
    • 通过计数器找到最具编译价值代码,触发即时编译或栈上替换
    • 通过编译器与解释器协同工作,在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

BEA 的 JRockit

  • 专注于服务器端应用

    • 它可以不太关注程序启动速度,因此JRockit内部不包含解析器实现,全部代码都靠即时编译器编译后执行。
  • 大量的行业基准测试显示,JRockit JVM是 世界上最快的JVM。

    • 使用JRockit产品,客户已经体验到了显著的性能提高(一些超过了70号)和硬件成本的减少(达50号)。
  • 优势:全面的Java运行时解决方案组合

    • JRockit面 向延迟敏感型应用的解决方案JRockit Real Time提 供以毫秒或微秒级的JVM响应时间,适合财务、军事指挥、电信网络的需要
    • MissionContro1服务套件,它是一组以极低的开销来监控、管理和分析生产环境中的应用程序的工具。
  • 2008年,BEA被Oracle收购。

  • Oracl 表达了整合两大优秀虚拟机的工作,大致在JDK 8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上,移植JRockit的优秀特性。

  • 高斯林:目前就职于谷歌,研究人工智能和水下机器人

IBM 的 J9

  • 全称: IBM Technology for Java Virtual Machine, 简称IT4J,内部代号: J9
  • 市场定位与HotSpot接近,服务器端、桌面应用、嵌入式等多用途VM
  • 广泛用于IBM的各种Java产品。
  • 目前,有影响力的三大商用虚拟机之一 ,他号称是世界上最快的Java虛拟机。
  • 2017年左右,IBM发布了开源J9 VM,命名为OpenJ9,交给Eclipse基金会管理,也称为Eclipse OpenJ9

KVM和CDC/CLDC HotSpot

  • Oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为: CDC/CLDC HotSpotImplementation VM
  • KVM (Kilobyte)是CLDC一HI早期产品
  • 目前移动领域地位尴尬,智能手机被Android和i0s二分天下。
  • KVM简单、轻量、高度可移植,面向更低端的设备上还维持自己的一片市场
    • 智能控制器、传感器
    • 老人手机、经济欠发达地区的功能手机
  • 所有的虚拟机的原则:一次编译,到处运行。

Azul VM

  • 前面三大“高性能Java虛拟机”使用在通用硬件平台上
  • 这里Azul VM和BEA Liquid VM是与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机
    • 高性能Java虛 拟机中的战斗机。
  • Azul VM是Azul Systems 公司在HotSpot基础_上进行大量改进,运行于Azul Systems 公司的专有硬件Vega系统上的Java虚拟机。
  • 每个Azul VM实例都可以管理至少数十个CPU和数百GB内存的硬件资源,并提供在巨大内存范围内实现可控的GC时间的垃圾收集器、专有硬件优化的线程调度等优秀特性。
  • 2010年,Azul systems 公司开始从硬件转向软件,发布了自己的ZingJVM,可以在通用x86平台上提供接近于vega系统的特性。

Liquid VM

  • 高性能Java虚拟机中的战斗机。
  • BEA公司开发的,直接运行在自家Hypervisor系统上
  • Liquid VM即是现在的JRockit VE (Virtual Edition) , LiquidVM不需要操作系统的支持,或者说它自己本身实现了一个专用操作系统的必要功能,如线程调度、文件系统、网络支持等。
  • 随着JRockit虚拟机终止开发,Liquid VM项目也停止了。

Apache Harmony

  • Apache也曾经推出过与JDK 1. 5和JDK 1. 6兼容的Java运行平台Apache Harmony。

  • 它是IIM和Intel联合开发的开源JVM,受到同样开源的OpenJDK的压制,Sun坚决不让Ha rmony获得JCP认证,最终于2011年退役,IBM转而参与OpenJDK

  • 虽然目前并没有Apache Ha rmony被大规模商用的案例,但是它的Java类库代码吸纳进了Android SDK。

Microsoft JVM

  • 微软为了在IE3浏览器 Java中支持 Applets,开发了 Microsoft JVM
  • 只能在 window平台下运行。但确是当时 Windows下性能最好的 Java VM。
  • 1997年,Sun以侵犯商标、不正当竞争罪名指控微软成功,赔了sun很多钱。微软在 WindowsXP SP33中抹掉了其m现在 windows上安装的jdk都是 HotSpot

TaobaoJVM

  • 由AliJVM团队发布。阿里,国内使用Java最强大的公司,覆盖云计算、金融、物流、电商等众多领域,需要解决高并发、 高可用、分布式的复合问题。有大量的开源产品。
  • 基于OpenJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK,简称AJDK。是整个阿里Java体系的基石。
  • 基于OpenJDK HotSpot VM发布的国内第一个优化==、深度定制且开源的高性能服务器==版Java虚拟机。
    • 创新的GCIH (GC invisible heap ap)技术实现了off一heap,即将生命周期较长的Java对象从heap中移到heap之外,并且GC不能管理GCIH内部的Java对象,以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。
    • GCIH中的对象还能够在多个Java虛拟机进程中实现共享
    • 使用crc32 指令实现JVM intrinsic 降低JNI的调用开销
    • PMU hardware 的Java profiling tool 和诊断协助功能
    • 针对大数据场景的ZenGC
  • taobao vm应用在阿里产品.上性能高,硬件严重依赖inte1的cpu,损失了兼容性,但提高了性能
    • 目前已经在淘宝、天猫上线,把Oracle 官方JVM版本全部替换了。

Dalvik VM

  • 谷歌开发的,应用于Android系统,并在Android2.2中提供了JIT,发展迅猛。
  • ==Dalvik VM只能称作虚拟机,而不能称作“Java虚拟机”,==它没有遵循Java虚拟机规范
  • 不能直接执行Java的Class文件
  • 基于寄存器架构,不是jvm的栈架构。
  • 执行的是编译以后的dex (Dalvik Executable)文件。执行效率比较高。
    • 它执行的dex (Dalvik Executable) 文件可以通过Class文件转化而来,使用Java语法编写应用程序,可以直接使用大部分的Java API等。
  • Android 5.0 使用支持提前编译(Ahead Of Time Compilation, AOT)的ART VM替换Dalvik VM。

Graal VM

  • 2018年4月,Oracle LabsFf J Graal VM,号称==“Run Programs Faster Anywhere”==,勃勃野心。与1995年java的"write once,run anywhere"遥相呼应。

  • Graal VM在HotSpot VM基础,上增强而成的跨语言全栈虚拟机,可以作为“任何语言”的运行平台使用。语言包括: Java、 Scala、Groovy、Kotlin; C、C++、JavaScript、Ruby、Python、R等

  • 支持不同语言中混用对方的接口和对象,支持这些语言使用已经编写好的本地库文件

  • 工作原理是将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式,通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示。Graal VM提供Truffle工具集快速构建面向一种新语言的解释器。在运行时还能进行即时编译优化,获得比原生编译器更优秀的执行效率。

  • 如果说HotSpot有一天真的被取代,Graal VM希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化。

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