1.Java：跨平台的语言

2.JVM：跨语言的平台

随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。

Java不是最强大的语言，但是jvm是最强大的虚拟机。

字节码：任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的，可以被统称为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。

信息产业里面的三大技术难题：CPU、操作系统、编译器。

多语言混合编程：Java平台上的多语言混合编程正在成为主流。

如何真正搞懂JVM？自己动手编写一个JVM。

市面上三大主流虚拟机：HotSpot、JRockit、J9。

JDK的版本：OpenJDK（JPL协议）和OracleJDK （OTN协议），基于不同协议的版本。

3.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，用来执行一系列的虚拟计算机指令。

虚拟机可分为系统虚拟机和程序虚拟机。

• Visual Box，VMware就属于系统虚拟机，他们完全是**对物理计算机的仿真，**提供了一个可以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，他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之为Java字节码指令。

4.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、优秀的垃圾回收器，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（降低了内存泄漏和内存溢出的风险）

​ 自动垃圾回收功能

5.JVM的位置

JVM时运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

实际上，系统虚拟机是对计算机硬件的一个模拟。程序虚拟机是对操作系统之上，即JVM的位置的虚拟。

6.JDK的构成图解

程序运行是从.java源文件编译成.class文件，需要用到的是前端编译器，是上图灰色的部分，如javac等。

7.JVM的整体结构

8.Java程序执行流程

9.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。

基于栈式架构的特点：

• 设计和实现更加简单，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（但指令更多），编译器更容易实现；
• 不需要硬件支持，可移植性好，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
• 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
• 大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都是以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。

由于跨平台的设计，Java的指令都是根据栈来设计的，不同平台的CPU架构不同，所以不能设计为寄存器。

优点是跨平台、指令集小，编译器容易实现，但是缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

10.JVM的生命周期

（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。

（2）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
• 程序开始执行时才运行，程序结束时就停止
• 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Java虚拟机的性能

（3）虚拟机的退出

• 程序正常执行结束
• 程序执行过程中遇到了异常或者是错误
• 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类或者System类的exit方法，或者Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或者halt操作
• 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了JNI Invocation API来加载或者卸载Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况

JVM发展历程

Sun Classic VM

早在1996年Javal.o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 Memory Management：准确式内存管理器

• 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类型具体是什么类型

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

• 最终被Hotspot虚拟机替换

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

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JRocit

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。

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（HotSpot、JRocit、J9）之一，也号称是世界上最快（在自己的产品中使用）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

KVM和CDC/ CLDC Hotspot

oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为: cDc/cLDc HoTSpotImplementation VM

KVM (Kilobyte）是CLDC-HI早期产品

目前移动领域地位尴尬，智能手机被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

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，并提供在巨大内存范围内实现可控的cc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zingJVM，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THvpe逍vigor系统上

Liquid vM即是现在的JRockit VE (virtual Edition） ,LiquidVM不需要操作系统的支持，亚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。

Apache Harmony

Apache也曾经推出过与JDK 1.5和JDK 1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。

它是IBM和Intel联合开发的开源JVM，受到同样开源PgpenJPA公Esun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。

Microsoft JVM

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

·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。微软在windowsXP SP3中抹掉了其VM。现在windows上安装的jdk都是HotSpot。

TaobapJVM

·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 (GC invisible 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ccIH内部的Java对象，以此达到降低cc 的回收频率和提升cc 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版木全部替换了

Dalvik VM

谷歌开发的，应用于Androi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.o使用支持提前编译(Ahead of Time Compilation，AOT)的ART VM替换Dalvik VM。

其他JVM

Java Card VM、squawk VM、Javainuava、 MaA11e V 4、Jikes RVM、 IKVM.NET、 Jam VM、 Cacao VM、sable VM、Kaffe、Jelatine JVM、 Nano 7M、 MRP、 Moxie JVM

Graal VM

• . 2018年4月，oracle Labs公开了Graal VM，号称"Run Programs Faster Anywhere"，勃勃野心。与1995年java的”write once，run anywhere"遥相呼应。
• GraalM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。
• ·如果说HotSpot有一天真的被取代，Graal VM希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化。