JVM基础认知篇(下)

1.JVM的执行流程

2.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。

这两种架构之间有什么区别呢？

• 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 AndroidDavlik及的虚拟机
  • 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

举例说明：同样执行2+3的这种逻辑运算操作

• 基于栈的计算流程
  
• 基于寄存器的计算流程
  

总结来说

• 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

3.JVM的生命周期

• JVM的启动阶段

  • 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

• JVM的执行阶段

  • 一个运行中的java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
  • 程序开始执行的时候他才运行，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虚拟机的进程

• JVM的退出阶段

  • 程序正常执行结束
  • 程序异常或错误而异常终止
  • 操作系统错误导致终止
  • 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

4.JVM的发展历史

• 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，Sun正式发布Java和 Hot Java产品，Java首次公开亮相
• 1996年1月23日 Sun Microsystems发布了JDK1.0
• 1998年，JDK1.2版本发布。同时，Sun发布了JP/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 Scala的正式发布同年 Groovy也加入了Java阵营。
• 2004年，JDK1.5发布。同时JDK1.5改名JavaSE为5.0
• 2006年，k6发布。同年，Java开源并建立了 OpenJDK顺理成章,，Hotspot虚拟机也成为了 OpenDK中的默认虚拟机。
• 2007年，Java平台迎来 clojure了新伙伴
• 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，这是Java平台的又一次大规模应用。
• 2010年, Oracle收购了sun，获得Jaa商标和最具价值的 Spot虚拟机。此时，OracleHotSp拥有市场占用率最高的两款虚拟机和，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 J99社区
• 2018年，Android的Java侵权案判决，Googleoraclei赔偿计88亿美元。同年，OracleJavaE宣告成为历史名词，JDBC、JMS、 ServletEclipse赠予基金会。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

5.JVM的版本历史

• Sun Classic VM
  • 早在1996年Java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为Sun Classic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用ava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-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
• HotSpot VM
  • HotSpot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，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。
  • 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
  • 它也是Sun Oracle JDK和 OpenJDK的默认虚拟机，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。
  • 它可以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
  • 它可以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
• JRockit VM
  • 它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JM
  • 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%)和硬件成本的减少(达50%)。
  • 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
  • MissionControl1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。Oracle表达了整合两大优秀虚拟机的工作，大致在JD8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上，移植 JRockit的优秀特性。
• J9 VM
  • 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。
  • 是目前有影响力的三大商用虚拟机之一，也号称是世界上最快的Java虚拟机。
  • 2017年左右，IBM发布了开源J9 VM,命名为 Open J9，交给 Eclipse基金会管理，也称为 Eclipse OpenJ9。
• Azul VM
  • 前面三大“高性能Java虚拟机”使用在通用硬件平台上，而这里的 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
  • Azul VM是Azul Systems 公司在Hotpot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Zing JVM，可以在通用x86平台上提供接近于vega系统的特性。
• Liquid VM
  • 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)，Liquid VM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。
  • 不过随着 JRockit 虚拟机终止开发，Liquid VM项目也停止了。
• Apache Harmony VM
  • Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。
  • 它是IBM和Intel联合开发的开源JVM，受到同样开源的 OpenJDK的压制，Sun坚决 Harmony不让获得JCP认证，最终于2011年退役，IBM转而参与OpenJDK。
  • 虽然目前并没有 Apache Harmony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浏览器中支持 Java Applets，开发了 Microsoft JVM，只能在 window平台下运行。但确是当时下性能最好的 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 SP3中抹掉了其M。现在 windows 上安装的JDK都是 HotSpot。
• Taobao JVM
  • 由 Ali JVM 团队发布。阿里为了解决高并发、高可用、分布式的复合问题。基于 OpenJDK 开发了自己的定制版本Alibaba JDK,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GCIH。
  • GCIH(GC invisible heap)技术实现了 off-heap，即将生命周期较长的ava对象从heap中移到heap之外并且GC不能管理GCIH内部的ava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虚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 intel 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”，因为它没有遵循Java虚拟机规范，不能直接执行Java的 class 文件。
  • 它是基于寄存器的架构，不是基于栈的架构。
  • 它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。
  • Android5.0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 Labs公开了Graal VM，号称“Run Programs Faster Anywhere”，勃勃野心。与1995年JVM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。