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JVM学习1：JVM和Java体系结构

编程日记 2024-02-17 13:30:00

JVM和Java体系结构

计算机本身是不识别高级语言的，这个大家应该都知道，我们的Java、C、Python这些代码都要执行下面的一个流程

在这里插入图片描述

随着Java7发布以后，Java虚拟机可以根据JSR-292标准实现在Java虚拟机平台上运行非Java的语言编写的程序，如下图所示：

在这里插入图片描述

虚拟机和Java虚拟机

虚拟机

虚拟机是一台虚拟计算机，是用来执行虚拟计算机指令的软件。虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
如VMware就是系统虚拟机，他是对物理计算机的仿真，提供了一个运行完整的操作系统的软件平台。
Java虚拟机是程序虚拟机，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为Java字节码指令。

Java虚拟机

Java技术的核心就是Java虚拟机。它能够执行字节码文件，任何语言生成的字节码文件都可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、垃圾回收器，即时编译器。

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/编译为机器指令。JDK默认的虚拟机是HotSpot，采用解释器和即时编译器并存的架构。

特点：

  • 一次编译，到处运行
  • 自动内存管理
  • 自动垃圾回收

虚拟机的位置：

在这里插入图片描述

JVM是运行在操作系统之上的，它和硬件没有直接的交互。

JVM的整体结构

HotSpot VM是现在市面上高性能虚拟机的代表作之一，它采用解释器和即时编译器并存的架构。
下图是JVM的执行流程：

在这里插入图片描述

图中的方法区和堆是多线程共享的，而Java栈（现改名为虚拟机栈）、本地方法栈、程序计数器是每个线程独有一份的。

请添加图片描述

Java代码执行流程

请添加图片描述

JIT解释器还可以针对反复执行的热点代码，编译成机器指令后缓存起来。

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，另一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。

两种架构之间的区别：

  • 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，如：嵌入式系统
  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，编译器更容易实现
  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，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

JVM的生命周期

JVM的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器创建一个初始类来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

JVM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Java虚拟机的进程

JVM的退出

有如下的几种情况：

  • 程序正常执行结束
  • 程序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安全管理器允许这次exit或halt操作（主动退出）
  • 除此之外，JNI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的发展历程

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的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，现在主流的虚拟机不仅会提供解释器，还会提供即时编译器
  • 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
    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
    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，该公司被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
    不管是现在仍然广泛使用的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Open JDK的默认虚拟机，上面两个虚拟机都没有方法区的概念
  • 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的代码，触发即时编译（将热点代码编译成机器指令缓存起来）或栈上替换（在栈上分配对象）
    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，客户已经体验到显著的性能提高和硬件成本的减少
  • 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表达了整合了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
  • 广泛应用与IBM的各种产品
  • 目前，有影响力的三大商用虚拟机之一，也是号称世界上最快的Java虚拟机（至少在IBM自己的产品中可能是最快的😂）
  • 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Eclipse OpenJ9

TaobaoJVM

  • 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的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和诊断协调功能
    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版本全部替换了

https://www.dkcj.cn/info/1852.html

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