1.JVM与Java体系结构

如果我们把核心类库的API比做数学公式的话，那么Java虚拟机的知识就好比公式的推导过程。

计算机系统体系对我们来说越来越远，在不了解底层实现方式的前提下，通过高级语言很容易编写程序代码。但事实上计算机并不认识高级语言。

Java vs C++

垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了开发的效率，但是，垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶的必备能力。

1.2. 面向人群及参考书目

世界上没有最好的编程语言，只有最适用于具体应用场景的编程语言

JVM：跨语言的平台

Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java以及Java社区的不断壮大Java 也早已不再是简简单单的一门计算机语言了，它更是一个平台、一种文化、一个社区。

每个语言都需要转换成字节码文件，最后转换的字节码文件都能通过Java虚拟机进行运行和处理

字节码

• 我们平时说的java字节码，指的是用java语言编译成的字节码。准确的说任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为：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JVM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格式—Class文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集（或者称为字节码、Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。

• 1990年，在Sun计算机公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team，开发出的新的程序语言，命名为oak，后期命名为Java
• 1995年，Sun正式发布Java和HotJava产品，Java首次公开亮相。
• 1996年1月23日，Sun Microsystems发布了JDK 1.0。
• 1998年，JDK1.2版本发布。同时，sun发布了JSP/Servlet、EJB规范，以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。
• 2000年，JDK1.3发布，Java HotSpot Virtual Machine正式发布，成为Java的默认虚拟机。
• 2002年，JDK1.4发布，古老的Classic虚拟机退出历史舞台。
• 2004年，JDK1.5发布。同时JDK1.5改名为JavaSE5.0。
• 2006年，JDK6发布。同年，Java开源并建立了OpenJDK。顺理成章，Hotspot虚拟机也成为了openJDK中的默认虚拟机。
• 2008年，Oracle收购了BEA，得到了JRockit虚拟机。
• 2010年，Oracle收购了Sun，获得Java商标和最真价值的HotSpot虚拟机。此时，Oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机HotSpot和JRockit，并计划在未来对它们进行整合：HotRockit
• 2011年，JDK7发布。在JDK1.7u4中，正式启用了新的垃圾回收器G1。
• 2017年，JDK9发布。将G1设置为默认Gc，替代CMS
• 2018年，Android的Java侵权案判决，Google赔偿Oracle计88亿美元
• 2019年，JDK12发布，加入RedHat领导开发的shenandoah GC

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，Mware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。

Java虚拟机

• 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。
• 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。
• 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。

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

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

• 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。

1.7. Java代码执行流程

Java编译器输入的指令流主要有两种架构：

• 基于栈的指令集架构
• 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

举例1

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）：

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

而基于寄存器的计算流程举例2

public int calc(){int a=100;int b=200;int c=300;return (a + b) * c;
}

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。

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

• 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
• 由于操作系统用现错误而导致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。

• 1996年Java1.0版本时，Sun公司发布，是世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时淘汰
• 这款虚拟机内部只提供解释器。
• 如果使用JIT编译器，需要进行外挂。解释器和编译器不能配合工作。

• Exact Memory Management：准确式内存管理，jdk1.2时，Sun提供了此虚拟机。
• 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维形：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

• 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。Sun / Oracle JDK 和 OpenJDK 的默认虚拟机
• 本文中默认介绍的虚拟机都是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）
• 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

• 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

• 2008年，JRockit被oracle收购。

• Oracl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。

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

• IBM开发，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IBM发布了开源J9VM，命名为openJ9，交给EClipse基金会管理

• 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

• KVM简单、轻量、高度可移植，低端设备上在用：智能控制器、传感器、非智能化手机

• 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

• 2010年，AzulSystems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

• BEA公司开发的，直接运行在自家Hypervisor系统上

• 随着JRockit虚拟机终止开发，Liquid vM项目也停止了

• Apache推出，与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台

• 它是IBM和Intel联合开发的开源JVM，受到同样开源的OpenJDK的压制

• Apache Harmony并没有被大规模商用，但它的Java类库代码吸纳进了Android SDK

• 微软为了在IE3浏览器中支持Java Applets，开发了Microsoft JVM

• 只能在Windows平台下运行，是当时Windows下性能最好的Java VM

• 1997年，Sun以侵犯商标指控微软成功，微软WindowsXP SP3中抹掉了其VM

• 基于OpenJDK 开发了定制版本AlibabaJDK，简称AJDK，是整个阿里Java体系的基石

• 基于OpenJDK Hotspot VM发布的优化、深度定制且开源的高性能服务器版Java虚拟机。

• 应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖intel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。

• 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

• 2018年4月，oracle Labs公开了Graal VM，号称 “Run Programs Faster Anywhere”

• Graal VM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，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

• 工作原理是通过Truffle工具集构建面向语言的解释器，将源代码或源代码编译后的中间格式转换为能被Graal VM接受的中间表示

• Graal VM最有希望取代HotSpot