JAVA进阶之路JVM-1：jvm基本组成、java程序执行过程、java程序的跨平台、静态编译器、jvm执行方式

JVM基本组成

• 当线上系统突然宕机，系统无法访问，甚至直接OOM；

• 线上系统响应速度太慢，优化系统性能过程中发现CPU占用过高，原因也许是因为JVM的GC次数过于频繁

• 因此，新项目上线，需要设置JVM的各种参数

JDK/JRE/JVM

• JDK：全称"Java Development Kit"，Java开发工具包，提供javac编译器，jheap,jconsole等监控工具
• JRE：全称“Java Runtime Environment”，Java允许环境，提供Class Library核心类库+JVM
• JVM：全称“Java Virtual Machine”，Java虚拟机，用于运行java应用程序

Java程序执行过程

1. 编译：通过javac命令，调用JDK编译器，将*.java源文件编译成*.class字节码文件
2. 执行：通过java命令，调用JVM虚拟机，执行*.class字节码文件

Java程序的跨平台

• 计算机平台是什么：

  我们通常把 CPU 处理器与操作系统构成的系统架构，称为计算机平台

  现代的电子计算机是基于二进制设计实现，所以CPU仅能识别0、1这样的二进制信号，儿计算机程序的本质就是0、1之间的不同组合产生的机械指令，交给CPU执行，CPU为了能识别执行这些机器指令，就需要不同CPU架构和指令集来支持，不同的厂商，设计生产的CPU，CPU架构和指令集也是不同的

  常见的指令集主要分为：精简指令集（RISC）和负载指令集（CISC）

  • 复杂指令集(CISC)：×86和×64两种CPU架构基于CISC复杂指令集，比如：intel，AMD等厂商的CPU

  • 精简指令集(RISC)：ARM架构的CPU基于RISC精简指令集，比如Compaq的Alpha，HP的PA-RISC、IBM的Power PC 、Apple的M1

  在底层硬件及指令集之上，需要搭载不同的操作系统，用于支持不同的 CPU 指令集。例如: 早期的 MacOs 操作系统只支持 Power 系列的 CPU 。最新的 Macos 系统只能安装在 M1片的 CPU

  Java 是一种跨平台的编程语言，主要是为了让相同的 Java 应用程序代码，不用做任何修改，可以在不同计算机系统平台上正常运行，兼容各种主流操作系统+ CPU 指令集。

• 跨平台的原因

  实现跨平台的原因主要有两个：

  1. 不同的平台，相同的源代码，编译的字节码是相同的，所以字节码文件可以在不同平台“通用“
  2. 不同的平台，执行字节码时，都需要各自的 JVM 虚拟机版本，用于将字节码翻译成当前平台可以执行的机器码指令

静态编译器

通过JDK提供的静态编译器，将Java源文件编译成字节码文件

编译过程：

1. 语法分析：通过空格分隔出源代码中的单词，操作符，控制符等信息，将其形成token信息流，传递给语法解析器
2. 语法分析：将token信息流按照java语法规则，组装成一颗语法树
3. 语义分析：对语法树进行关键字使用，类型匹配，作用域等语法检查
4. 字节码：当语法分析完成后，可以生成字节码

字节码

​ 当一个java源文件被编译后，就会按照JVM规范和字节码定义，产生一个class字节码文件，文件内容由10个固定部分组成

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​ 前4个字节非常特殊，红色框的cafe babe是詹姆斯高斯林定义的魔法数，它的作用是标志当前文件是一个字节码文件。当JVM在进行类加载的Load阶段时，如果没有识别到该标志，就说明文件不是字节码文件或已损坏，则无法进行加载。绿色框代表当前版本号，0x34的十进制为52，是JDK8的内部版本号，代表这个字节码文件基于JDK8编译

​ 剩余部分中的每一个字节军代表一个字节码指令，由于每个指令的长度按照1个字节存储，所以每个指令被称为字节码(Bytecode)，Java所有的字节码指令有200多个

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​ 由于纯数字的字节码指令阅读比较困难，所以JVM在字节码指令的基础上设计了一套操作码助记符，使用特殊单词来代替对应的数字指令

例如：

0x15 ILOAD：读取int类型的局部变量

0x36 ISTORE：保存int类型的局部变量

0x60 IADD：执行两个int类型的数值加法运算

0xbb NEW： 创建对象

0xbc NEWARRAY： 创建数组

0xac IRETURN： 返回int类型结果

JVM执行方式

JVM以解释+编译混合模式，执行字节码文件

1. JVM的主席那个方式以解释执行为主。执行过程中，JVM将每个字节码文件中的每个指令，通过解释器转换为当前平台可以识别的机器码，然后交给CPU执行
2. 为了提高效率，JVM还会再运行期间，JVM会通过热点代码的统计分析，识别高频的方法调用，循环体，公共模块等，当超过阈值时，JVM会基于==JIT即使编译器(just-in-time compiler)==将热点代码转换成机器码，直接交给CPU执行，提高执行效率
   • Client模式下热点代码默认阈值为1500次，在Server模式下是10000次

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• JVM解释器：程序执行的时候，解释器首先发挥作用，省去了编译器编译时间，加快程序的执行效率
• JIT编译器：在程序运行过程中，随着时间的推移，JIT慢慢发挥作用，把热点代码编译编译成本地代码后，以后执行相同的代码，既可直接交给CPU执行，带来更高的执行效率

机器在热机状态下可以承受的负载要大于冷机状态（刚启动时），弱国以热机状态时的流量进行切换，可能使处于冷机状态的服务器因无法承受浏览而假死。所以，在生产环境中发布应用，应该以分批的方式进行发布，根据机器数量划分成多个批次，每个批次的机器数大概占到整个集群的15%

​ 故障案例：某应用在线发布新版本，采用进行分批发布，发布总批数误填携程分为两批发布。如果是热机状态，正常情况下，集群中一半的机器可以勉强支撑负载流量，但由于刚启动JVM均是解释执行，还没有进行热点代码统计和JIT动态编译，导致机器启动之后，当前1/2发布成功的服务器马上全部宕机

类加载器

​ 字节码必须通过类加载器，通过加载、验证、解析等校验步骤，将字节码文件中的类，加载至JVM中的运行时数据区，才能执行字节码

垃圾回收器

​ JVM在运行期间，通过Garbage Collctor垃圾收集器，定期对运行时数据区进行垃圾对象的回收，从而实现了内存自动管理

JVM组成结构

​ JVM由类加载器，运行时数据区，JVM解释器，JIT即时编译器，垃圾回收器、本地方法库等部分组成

​ 由类加载器完成字节码文件的加载验证和解析，存储至运行时数据区，并由执行引擎中的解释器，完成字节码到机器码的解释执行。同时进行热点代码的统计分析，调用JIT即时编译器将字节码直接编译成机器码，提高执行效率。JVM运行期间的方法调用、数据对象统一存放至运行时数据区