1 JVM简介

JVM简介

虚拟机

• 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。
  • 大名鼎鼎的Visual 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。
  • 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。
• 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。

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

• 一次编译，到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收功能

整体结构

• Hotspot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
• 它采用解释器与即时编译器并存的架构。
• 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。

java代码执行流程

JVM的架构模型

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:

• 基于栈式架构的特点
  • 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统;
  • 避开了寄存器的分配难题: 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，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现。
  • 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
  • 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。
  • 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差性能优秀和执行更高效;
  • 花费更少的指令去完成一项操作。
  • 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。

总结:

• 由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈设计的，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。

栈: 跨平台性、指红集小、指令多；执行性能比寄存器差

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，这个类足由虚拟机的具体实现指定的。
• 虚拟机的执行
  • 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务:执行Java程序。
  • 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。
  • 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。
• 虚拟机的退出有如下的几种情况:
  • 程序正常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
  • 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。
  • 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。

JVM版本

• sun Classic VM
  • 早在1996年Javal.0版本的时候，sun公司发布了一款名为sun ClassicVM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。
  • 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。
• 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 Meory Management: 准确式内存管理，
    • 也可以叫Non-Conservative/Accurate Memory Management
    • 虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型。
  • 具备现代高性能虚拟机的雏形
    • 热点探测
    • 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
• sUN公司的Hotspot VM
  • 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
  • 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
  • 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。
    • 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
• BEA 的 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%）。
  • 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
    • MissionControl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，BEA被oracle收购。
  • Oracle表达了整合两大优秀虚拟机的工作，大致在JDK 8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上，移植JRockit的优秀特性。
  • 高斯林:目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人
• IBM 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J9 VM，命名为openJ9，交给Eclipse基金
    会管理，也称为Eclipse openJ9

所有的虚拟机的原则: 一次编译，到处运行。

• 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 VM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。
  • 每个Azul VM实例都可以管理至少数十个CPU和数百GB内存的硬件资源, 提供在巨大内存范围内实现可控的Gc时间的垃圾收集器、专有硬件优化的线程调度等优秀特性。
  • 2010年，Azul systems公司开始从硬件转向软件，发布了自己的Zing JVM，可以在通用x86平台上提供接近于vega系统的特性。
• 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。