【JVM】JVM和Java 体系架构

　　Java是一门可以跨平台的语言，但是Java本身是不可以实现跨平台的，需要JVM实现跨平台。javac编译好后的class文件，在Windows、Linux、Mac等系统上，只要该系统安装对应的Java虚拟机，class文件都可以运行。达到”一次编译，到处运行”的效果。

一、虚拟机介绍

1.1、虚拟机概念

　　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。

  1. 大名鼎鼎的Virtual Box，VMware就属于系统虚拟机，它们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。
  2. 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。
  3. 无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

1.2、Java 虚拟机

  1. 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。

  2. 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。

  3. Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。

  4. 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：

  1. 一次编译，到处运行
  2. 自动内存管理
  3. 自动垃圾回收功能

二、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

　　

　　JDK与JVM关系

　　

三、Java 的整体结构

  1. HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。

  2. 它采用解释器与即时编译器并存的架构。

  3. 在今天，Java程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。

  4. 执行引擎包含三部分：解释器，即时编译器，垃圾回收器

　　

四、Java 代码执行流程

　　凡是能生成被Java虚拟机所能解释、运行的字节码文件，那么理论上我们就可以自己设计一套语言了

　　

五、JVM 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：

5.1、基于栈的指令集架构

　　基于栈式架构的特点：

  1. 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统；

  2. 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配

  3. 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

  4. 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

5.2、基于寄存器的指令级架构

　　基于寄存器架构的特点：

  1. 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。

  2. 指令集架构则完全依赖硬件，与硬件的耦合度高，可移植性差

  3. 性能优秀和执行更高效

  4. 花费更少的指令去完成一项操作

  5. 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

5.3、两种架构的举例

　　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）： 
    1 iconst_2 //常量2入栈
2 istore_1
3 iconst_3 // 常量3入栈
4 istore_2
5 iload_1
6 iload_2
7 iadd //常量2/3出栈，执行相加
8 istore_0 // 结果5入栈
  • 而基于寄存器的计算流程 
    1 mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
2 add eax,3 //使eax寄存器的值加3

5.4、如何反编译字节码文件　　

  • 编写 java 代码，编译生成字节码文件，示例
1 public class StackStruTest {
2     public static void main(String[] args) {
3         int i = 2;
4         int j = 3;
5         int k = i + j;
6     }
7 }

  • 在 .class 文件的同级目录下，执行反编译

    命令：javap -v StackStruTest.class

  • 反编译得到的指令

     1 public static void main(java.lang.String[]);
 2     descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
 3     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
 4     Code:
 5       stack=2, locals=4, args_size=1
 6          0: iconst_2    // 将常量 2 压入栈中
 7          1: istore_1    // 将常量 2 保存至变量 i 中
 8          2: iconst_3    // 将常量 3 压入栈中
 9          3: istore_2    // 将常量 3 保存至变量 j 中
10          4: iload_1        // 加载变量 i
11          5: iload_2        // 加载变量 j
12          6: iadd        // 执行累加操作
13          7: istore_3    // 加法结果保存在变量 k 中
14          8: return
15       LineNumberTable:
16         line 10: 0
17         line 11: 2
18         line 12: 4
19         line 22: 8
20       LocalVariableTable:
21         Start  Length  Slot  Name   Signature
22             0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
23             2       7     1     i   I
24             4       5     2     j   I
25             8       1     3     k   I
26 }

5.5、JVM 架构总结

  1. 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，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

  2. 时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpot VM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？

  3. 因为基于栈的架构跨平台性好、指令集小，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构

六、JVM 生命周期

6.1、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的。

6.2、虚拟机的执行

  1. 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
  2. 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止
  3. 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

6.3、虚拟机的退出

　　有如下的几种情况：

  1. 程序正常执行结束

  2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

  3. 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止

  4. 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。

  5. 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。

6.4、查看虚拟机进程

  • 趁程序还在运行的时候，赶快使用 jps 指令查看当前正在运行的进程

6.5、程序退出exit() 方法源码

　　System 类源码分析

  • System.exit() 方法调用了 Runtime.exit() 方法 
    1 public static void exit(int status) {
2     Runtime.getRuntime().exit(status);
3 }

　　Runtime 类源码分析 

  • Runtime 对象全局唯一，对应着下图中的【运行时数据区】

  • 明显的饿汉设计模式：一上来就 new 了一个 Runtime 类的实例，并且将 Runtime 类的构造器私有化了 
     1 public class Runtime {
 2     private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
 3 
 4     /**
 5      * Returns the runtime object associated with the current Java application.
 6      * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
 7      * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
 8      *
 9      * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
10      *          Java application.
11      */
12     public static Runtime getRuntime() {
13         return currentRuntime;
14     }
15 
16     /** Don't let anyone else instantiate this class */
17     private Runtime() {}

  • Runtime 类的 exit() 方法调用了 ShutDown 类的 exit() 方法

    1 public void exit(int status) {
2     SecurityManager security = System.getSecurityManager();
3     if (security != null) {
4         security.checkExit(status);
5     }
6     Shutdown.exit(status);
7 }

　　ShutDown 类源码分析

  • Shutdown 类的 exit() 方法会调用到本地方法 runAllFinalizers() 和 halt0() 
     1 static void exit(int status) {
 2     boolean runMoreFinalizers = false;
 3     synchronized (lock) {
 4         if (status != 0) runFinalizersOnExit = false;
 5         switch (state) {
 6             case RUNNING:       /* Initiate shutdown */
 7                 state = HOOKS;
 8                 break;
 9             case HOOKS:         /* Stall and halt */
10                 break;
11             case FINALIZERS:
12                 if (status != 0) {
13                     /* Halt immediately on nonzero status */
14                     halt(status);
15                 } else {
16                     /* Compatibility with old behavior:
17                      * Run more finalizers and then halt
18                      */
19                     runMoreFinalizers = runFinalizersOnExit;
20                 }
21                 break;
22         }
23     }
24     if (runMoreFinalizers) {
25         runAllFinalizers();
26         halt(status);
27     }
28     synchronized (Shutdown.class) {
29         /* Synchronize on the class object, causing any other thread
30              * that attempts to initiate shutdown to stall indefinitely
31              */
32         sequence();
33         halt(status);
34     }
35 }
    1 static void halt(int status) {
2     synchronized (haltLock) {
3         halt0(status);
4     }
5 }
    1 static native void halt0(int status);
2 
3 /* Wormhole for invoking java.lang.ref.Finalizer.runAllFinalizers */
4 private static native void runAllFinalizers(); 

　　总结

  1. 调用 System.exit() 方法 --> 调用 Runtime.exit() 方法

  2. 调用 Runtime.exit() 方法 --> 调用了 ShutDown.exit() 方法

七、JVM 发展历程

　　这里介绍部分JVM虚拟机

7.1、HotSpot VM

  1. HotSpot历史

    • 最初由一家名为“Longview Technologies”的小公司设计

    • 1997年，此公司被Sun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

  2. 目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林。

    • 不管是现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中，默认的虚拟机都是HotSpot

    • Sun/oracle JDK和openJDK的默认虚拟机

    • 一般说的虚拟机都是HotSpot，相关机制也主要是指HotSpot的GC机制。（比如其他两个商用虚机都没有方法区的概念）

  3. 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。

  4. 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

7.2、JRockit

  1. 专注于服务器端应用：它可以不太关注程序启动速度，因此JRockit内部不包含解析器实现，全部代码都靠即时编译器编译后执行。

  2. 大量的行业基准测试显示，JRockit JVM是世界上最快的JVM：使用JRockit产品，客户已经体验到了显著的性能提高（一些超过了70%）和硬件成本的减少（达50%）。

  3. 优势：全面的Java运行时解决方案组合

    • JRockit面向延迟敏感型应用的解决方案JRockit Real Time提供以毫秒或微秒级的JVM响应时间，适合财务、军事指挥、电信网络的需要

    • Mission Control服务套件，它是一组以极低的开销来监控、管理和分析生产环境中的应用程序的工具。

  4. 2008年，JRockit被Oracle收购。

  5. Oracle表达了整合两大优秀虚拟机的工作，大致在JDK8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上，移植JRockit的优秀特性。

  6. 高斯林：目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人

7.3、IBM的J9

  1. 全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9

  2. 市场定位与HotSpot接近，服务器端、桌面应用、嵌入式等多用途VM广泛用于IBM的各种Java产品。

  3. 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。

  4. 2017年左右，IBM发布了开源J9VM，命名为openJ9，交给Eclipse基金会管理，也称为Eclipse OpenJ9

  5. OpenJDK -> 是JDK开源了，包括了虚拟机

7.4、Taobao JVM

  1. 由AliJVM团队发布。阿里，国内使用Java最强大的公司，覆盖云计算、金融、物流、电商等众多领域，需要解决高并发、高可用、分布式的复合问题。有大量的开源产品。

  2. 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。

  3. 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（GCinvisible 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

  4. taobao vm应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖inte1的cpu，损失了兼容性，但提高了性能

  5. 目前已经在淘宝、天猫上线，把Oracle官方JvM版本全部替换了。

文章参考：https://blog.csdn.net/oneby1314/article/details/107850002

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原文地址：https://www.cnblogs.com/h--d/p/14108774.html