JVM与Java体系结构

目录

一、Java虚拟机整体架构祥图

二、Java代码执行过程详图

三、汇编语言、机器语言、高级语言关系

四、JVM的架构模型

五、JVM的生命周期 

（一）虚拟机的启动

（二）虚拟机的执行

（三）虚拟机的退出

六、JVM发展历程

（一）sun Classic VM

（二）Exact VM

（三）hotspot虚拟机

（四）JRockit

（五）IBM J9

（六） Azul VM

（七）Liquid VM

（八）Apache Harmony

（九）TaobaoJVM

（十）Dalvik VM

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一、Java虚拟机整体架构祥图

二、Java代码执行过程详图

三、汇编语言、机器语言、高级语言关系

四、JVM的架构模型

Java的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

两种架构的区别：

基于栈式架构：

1、优点

• 设计和实现简单，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
• 指令流中大部分都是零地址指令，其执行过程依赖操作栈，指令集更小，编译器容易实现
  • 8位字节码，所以说指令集更小，但是完成一项操作花费的指令相对多。
• 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

2、缺点

• 性能下降，实现同样的功能需要更多的指令，毕竟还要入栈出栈等操作

基于寄存器架构：

1、优点

• 性能优秀，执行更高效
• 花费更少的指令去完成一项操作

2、缺点

• 指令集架构完全依赖硬件，可移植性差

3、典型应用是X86的二进制指令集，比如传统的PC以及安卓的Davlik虚拟机（16位字节码）

大部分情况下，指令集往往以一地址指令，二地址指令和三地址指令为主。

为什么说栈式花费的指令多？

我们可以通过javap命令反编译一个文件，查看其计算流程：

javap 查看字节码

• -v输出附加信息
• -l输出行号和本地变量表
• -p显示所有类和成员
• -c对代码进行反汇编

五、JVM的生命周期 

（一）虚拟机的启动

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

（二）虚拟机的执行

执行一个所谓的Java程序的时候，真正执行的是一个叫Java虚拟机的进程

（三）虚拟机的退出

• 程序正常执行结束
• 执行过程遇到异常或错误而异常终止
• 操作系统错误导致Java虚拟机进程终止
• Runtime类或System类的exit方法、runtime类的halt方法，并且Java安全管理器允许这次exit或halt操作
  • halt停止、停下、阻止
  • exit方法源码：static native void halt0（int status）
• 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虚拟机退出的情况

六、JVM发展历程

（一）sun Classic VM

• 世界第一款商用Java虚拟机
• JDK1.4时被淘汰
• 只提供了解释器
• 如果使用JIT编译器，就需要外挂，但是JIT和解释器不能配合工作

（二）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
  • 虚拟机知道内存中某个位置的数据是什么类型
• 具有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，其他平台还是Classic vm
  • 英雄气短，被hotspot虚拟机替换

（三）hotspot虚拟机

• 最初由Longview  Technologies的小公司设计，1997年被sun公司收购，2009年sun公司被甲骨文收购
• JDK1.3时，HotSpot VM成为默认虚拟机
• 绝对市场地位，称霸武林
  • JDK6,8等均默认
• HotSpot就是他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，在优化响应时间和最佳执行性能中取得平

（四）JRockit

• BEA公司
• 专注服务器端应用
  • 不太关注程序启动速度，引起JRockit内部不包括解析器实现，全部代码靠即时编译器编译后执行
• 世界上最快的JVM
• 全面的Java运行时解决方案组合
  • JRockit Real Time提供毫秒或微秒级的JVM响应时间，适合财务、军事指挥，电信网络的需要
  • MissionControl服务套件，极低的开销，来监控、管理和分析生成环境中的应用程序的工具
• 2008年BEA被oracle收购
• JDK8中，在HOTSPOT的基础上，移植JRockit的优秀特性

（五）IBM 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
• 广泛应用于IBM的各种Java产品
  • IBM产品结合使用性能最好
• 有影响力的三大商用虚拟机之一
• 2017开源，OPEN J9

（六） Azul VM

• 与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机
• 运行于Azul Systems公司的专有硬件Vega系统上的虚拟机
• 每个实例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，发布自己的Zing JVM，可以在通用X86平台上提供接近于vega系统的特性

（七）Liquid VM

• BEA公司开发的，运行在自家Hypervisor系统上
• 不需要操作系统支持，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

 （八）Apache Harmony

• JDK1.5,1.6兼容
• IBM和Intel联合开发的开源JVM，2011年退役
• Java类库代码吸纳进了Android SDK

（九）TaobaoJVM

• 基于OpenJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK
• 深度定制且开源的高性能服务器版JAVA虚拟机
• GCIH：GC invisible heap，将生命周期较长的Java对象从heap中已到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
• 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
• 针对大数据场景的ZenGC
• 在阿里产品上性能高，硬件严重依赖intel的CPU，损失了兼容性，但是提高了性能
• 淘宝、天猫上线，把oracle官方JVM版本全部替换

（十）Dalvik VM

• 谷歌开发，应用于Android系统，安卓2.2提供了JIT，发展迅猛
• 只能称作虚拟机，不能称作Java虚拟机，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
• 执行的是编译后的dex文件，执行效率比较高
• 安卓5.0使用支持提前编译AOT的ART VM替换Dalvik VM