详解java虚拟机:1-JVM与Java体系结构

1、java上层技术与JVM

1.1、问题:作为java工程师,是否曾被JVM伤害过?
  • 运行中的线上系统突然卡死,系统无法访问,甚至直接报OOM错误,什么原因引起的,不清楚
  • 想解决线上系统的JVM GC问题,但是却无从下手?
  • 新系统上线,对各个JVM参数设置一脸懵逼,直接默认吧,后期就JJ了?
  • 每次面试前都要背一次JVM的一些原理概念性的东西,然而面试经常被问在实际项目中如何调优JVM,如何解决JVM GC等问题,芭比Q了
1.2、java程序和JVM关系:

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一般现在开发系统,都是在各种框架上进行开发(Spring,Spring MVC等),就像我们买一台电脑,安装完操作系统后,在上面安装各种软件,都是在软件上操作。如果电脑出问题,我们才会去关注电脑内部结构,比如内存不够了,我们会拆开加一个内存条,就相当于java程序出问题了,我们去调优JVM。

1.3、我们应该如何看待上层框架
  • 有一定开发经验的开发人员,如果觉得SSM,微服务等上层框架才是重点知识,基础技术并不重要,这其实是一种本末倒置的心态。如果只关注上层的技术框架,像SSM等,开发过程中大部分配置就可以实现,出了问题也不知道为什么,想找问题一个注解无从下手。
  • 如果把核心类库的API类比成数学的计算公式,那面JAVA虚拟机的知识就是公式的推到过程。
1.4、架构师每天在思考什么?
  • 应该如何让系统更快
  • 如何避免系统出现瓶颈

2、跨平台语言java和跨语言平台JVM

2.1、Java生态圈

Java是目前应用最广泛的软件开发平台之一。随着Java以及Java社区的不断扩大,Java已不是简简单单的一门计算机开发语言了,更是一种平台、一种文化、一种社区。

  • 作为一个平台:Java虚拟机扮演这举足轻重的作用
    Groovy,JRuby等都是Java平台的一部分。
  • 作为一种文化:Java几乎是“开源”的代名词
    第三方开源软件和框架,如Tomcat,Spring,MyBatis等
    JDK和JVM自身也有不少开源实现,如OpenJDK,Harmony等
  • 作为一个社区:Java拥有世界最多的技术用户者和开源社区支持。
2.2、Java:跨平台语言

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Java程序被编译器编译成虚拟机能识别的字节码文件,不同平台的JVM(虚拟机)解释字节码,从这里看,字节码也是跨平台的。

2.3、JVM:跨语言的平台

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Java虚拟机根本不关心运行的程序到底是使用哪一种语言编写的,它只关心“字节码”文件,也就是说Java虚拟机拥有语言无关性,并不会与Java语言进行“终生绑定”,Java虚拟机不知是Java专用,只要其他计算机编程语言经过编译器编译的结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集,符号表以及其他规范的信息,就是一个有效的字节码文件,就能够被Java虚拟机识别并装载运行。

字节码:

  • 平时我们说的Java字节码,指的是用Java语言编写并编译成的字节码,严格的说任何能在JVM平台上执行的字节码格式文件都是一样的,应该统称为:JVM字节码
  • 不同的编译器,可以编译出相同的字节码文件,字节码文件也可以在不同的虚拟机上运行。
  • Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系,它只与特定的二进制文件–Class文件格式关联,Class文件包含了Java虚拟机指令集、符号表和一些其他辅助信息。

3、虚拟机与Java虚拟机

3.1、虚拟机

所谓虚拟机(Virtual Machime),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。
系统虚拟机: 日常常见的Visual Box、VMware就是属于系统虚拟机,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: 典型代表就是我们讨论的Java虚拟机,专门为执行单个计算机程序而设计的,在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码。
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3.2、Java虚拟机
  • Java虚拟机是一个执行Java字节码的虚拟软件平台,它拥有独立的运行机制,其运行的Java字节码也不一定由Java语言编译。
  • JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性,优秀的垃圾回收机制,以及可靠的即时编译器。
  • Java的核心技术就是Java虚拟机。

Java虚拟机作用:
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规范中都有详细的定义,比如怎么取操作数,怎么处理操作数,处理结果存放在哪里。
Java虚拟机特点:

  • 一次编译,到处运行
  • 自动内存管理
  • 自动垃圾回收管理

4、JVM的整体结构

本系列主要是基于HotSpot VM学习的,它也是目前市面上高性能虚拟机的代表之一。采用解释器和即时编译器并存的结构。
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5、Java代码执行流程

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6、JVM架构模型

主要是了解区分栈的指令集架构和寄存器指令集架构。Java编译器/HotSpot VM输入的指令流基本上是一种栈的指令集机构,另一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。

6.1、两种指令集架构的区别

基于栈指令集架构的特点

  • 典型应用HotSpot VM,设计和实现更简单,适用于资源受限的系统
  • 避开了寄存器分配的难题: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,其执行过程依赖于栈操作。指令集更小,但是需要的指令个数多,编译器容易实现
    基于寄存器指令集架构的特点:
  • 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
  • 指令集架构完成依赖硬件,可移植性差
  • 性能优秀、执行效率高
  • 指令集大,但是需要的指令个数少,花费更少的指令取完成一项操作
  • 大部分的情况下,基于寄存器指令架构的往往都是以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主,而基于栈指令架构的指令集是以零地址指令为主

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6.2、总结:

Java虚拟机的指令都是根据栈指令集设计的,这样才能具备跨平台性。不同平台的CPU架构不同,所以不能设计为基于寄存器指令集架构。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。

7、JVM生命周期

7.1、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。

7.2、虚拟机的执行
  • 一个运行中的Java虚拟机有一个清晰的任务:执行Java程序。
  • 程序开始执行它才运行,程序介绍它也结束
  • 执行一个所谓的Java程序的时候,事实上是在执行一个Java虚拟机进程
7.3、虚拟机的退出

有下面几种退出情况:

  • 程序正常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到异常或错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致虚拟机进程终止
  • 某线程调用Runtime类或System的exit方法,或者Runtime类的halt方法,并且Java安全管理也允许这次exit或halt操作。

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