01-JVM与Java体系结构

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附有一些个人见解，如有错误，请指正！

1.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。

• 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。

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。

作用

• 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

2.JVM、JRE、JDK三者比较：

• JVM: java虚拟机
• JRE: 运行基本环境
• JDK: 开发环境

3. JVM的整体结构

• 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。
  

4. Java代码执行流程

5. 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

举例1

同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：

基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：

iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出栈，执行相加
istore_0 // 结果5入栈

而基于寄存器的计算流程

mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

举例2

public int calc(){
    int a=100;
    int b=200;
    int c=300;
    return (a + b) * c;
}

> javap -c Test.class
...
public int calc();
    Code:
    Stack=2,Locals=4,Args_size=1
       0: bipush        100
       2: istore_1
       3: sipush        200
       6: istore_2
       7: sipush        300
      10: istore_3
      11: iload_1
      12: iload_2
      13: iadd
      14: iload_3
      15: imul
      16: ireturn
}

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，每次执行的指令集小，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。

6. 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虚拟机的进程。

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
• 由于操作系统用现错误而导致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。

7. 各种JVM

Sun Classic VM

• 世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时完全被淘汰。

Exact VM

• 编译器与解释器混合工作模式

HotSpot VM

• 目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林。

  • Sun / Oracle JDK 和 OpenJDK 的默认虚拟机

• 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

JRockit

• 专注于服务器端应用
• 大量的行业基准测试显示，JRockit JVM是世界上最快的JVM。

IBM的J9

• 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。

KVM和CDC / CLDC Hotspot

• Oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为：CDC/CLDC HotSpot Implementation VM
• 所有的虚拟机的原则：一次编译，到处运行。

Azul VM

• 与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机

Liquid VM

• 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。

Apache Harmony

• Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。

Micorsoft JVM

• 只能在Windows平台下运行。但确是当时Windows下性能最好的Java VM。

Taobao JVM

• 由AliJVM团队发布。
• 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）技术实现了off-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

Dalvik VM

• 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。

Graal VM

• 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

总结

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。主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。