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：

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

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

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。

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。

5、Java代码执行流程

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

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。