通俗易懂讲解 JVM 核心原理

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 2022-09-25
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JVM( JavaVirtualMachine )是java虚拟机,是java上层框架的基础,欲练神功,先练内功!

JVM和java体系结构

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一次编译,到处运行.跨平台

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  1. 不同语言使用编译器后的字节码符合java虚拟机的规范就可以运行.
  2. 自动内存管理
  3. 自动垃圾回收

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JVM的架构模型:

栈:跨平台性,指令集小,指令多;执行性能比寄存器差

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。

两者的优缺点

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

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

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）：

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    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

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而基于寄存器的计算流程

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

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，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

4. JVM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

  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

虚拟机的退出

  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. 由于操作系统出现错误而导致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。

5. JVM 发展历程

  1. Sun Classic VM
  • 早在1996年Java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为sun classic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时完全被淘汰。
  • 这款虚拟机内部只提供解释器，没有即时编译器，因此效率比较低，即时编译器会把热点代码缓存起来，那么以后使用热点代码的时候，效率就比较高。
  • 如果使用JIT编译器，就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和编译器不能配合工作。
  • 现在Hotspot内置了此虚拟机。
  1. Exact VM

为了解决上一个虚拟机问题，jdk1.2时，Sun提供了此虚拟机。

  • Exact Memory Management：准确式内存管理
  • 具备现代高性能虚拟机的维形，热点探测（寻找出热点代码进行缓存）编译器与解释器混合工作模式
  • 只在Solaris平台短暂使用，其他平台上还是classic vm，英雄气短，终被Hotspot虚拟机替换
  1. HotSpot VM
  2. HotSpot历史
  3. 最初由一家名为“Longview Technologies”的小公司设计
  4. 1997年，此公司被Sun收购；2009年，Sun公司被甲骨文收购。
  5. JDK1.3时，HotSpot VM成为默认虚拟机

目前Hotspot占有绝对的市场地位
从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。
名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。在编译器与解释器中取得最佳执行平衡

  1. JRockit
  • 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。
  • 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%）。
  • 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。
  • 2008年，JRockit被Oracle收购。
  • 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。
  1. IBM的 J9
  • 全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9
  • 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。
  • 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。
  • 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
  1. 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 KVM（Kilobyte）是CLDC-HI早期产品目前移动领域地位尴尬，智能机被Android和iOS二分天下。
  • KVM简单、轻量、高度可移植，面向更低端的设备上还维持自己的一片市场 ，智能控制器、传感器 ，老人手机、经济欠发达地区的功能手机
  1. Azul VM
  • 前面三大“高性能Java虚拟机”使用在通用硬件平台上这里Azul VW和BEA Liquid VM是与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机：高性能Java虚拟机中的战斗机。
  • Azul VM是Azul Systems公司在HotSpot基础上进行大量改进，运行于Azul Systems公司的专有硬件Vega系统上的Java虚拟机。
  1. Liquid VM
  • 高性能Java虚拟机中的战斗机。
  • BEA公司开发的，直接运行在自家Hypervisor系统上
  • Liquid VM即是现在的JRockit VE（Virtual Edition）
  • Liquid VM不需要操作系统的支持，或者说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。
  • 随着JRockit虚拟机终止开发，Liquid vM项目也停止了。
  1. Apache Marmony
  • Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。
  • 它是IElf和Intel联合开发的开源JVM，受到同样开源的Open JDK的压制，Sun坚决不让Harmony获得JCP认证，最终于2011年退役，IBM转而参与OpenJDK
  • 虽然目前并没有Apache Harmony被大规模商用的案例，但是它的Java类库代码吸纳进了Android SDK。
  1. Micorsoft JVM
  • 微软为了在IE3浏览器中支持Java Applets，开发了Microsoft JVM。
  • 只能在window平台下运行。但确是当时Windows下性能最好的Java VM。
  • 1997年，Sun以侵犯商标、不正当竞争罪名指控微软成功，赔了Sun很多钱。微软WindowsXP SP3中抹掉了其VM。现在Windows上安装的jdk都是HotSpot。
  1. Taobao JVM
  • 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。
  • 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（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
  • 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
  • 目前已经在淘宝、天猫上线，把Oracle官方JvM版本全部替换了。
  1. Dalvik VM
  • 谷歌开发的，应用于Android系统，并在Android2.2中提供了JIT，发展迅猛。
  • 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。
  • Android 5.0使用支持提前编译（Ahead of Time Compilation，AoT）的ART VM替换Dalvik VM。
  1. Graal VM
  • 2018年4月，Oracle Labs公开了GraalvM，号称 “Run Programs Faster Anywhere”，勃勃野心。与1995年java的”write once，run anywhere"遥相呼应。
  • GraalVM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
  • 支持不同语言中混用对方的接口和对象，支持这些语言使用已经编写好的本地库文件
  • 工作原理是将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式，通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示。Graal VM提供Truffle工具集快速构建面向一种新语言的解释器。在运行时还能进行即时编译优化，获得比原生编译器更优秀的执行效率。

总结： 目前市场上最流行的 三大jvm ， HotSpot ， JRockit ， IBM的J9 占有率最高，至于未来，如果说HotSpot有一天真的被取代，Graalvm希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化。