JVM解毒——JVM與Java體系結構

你是否也遇到過這些問題？

運作線上系統突然卡死，系統無法通路，甚至直接OOM
想解決線上JVM GC問題，但卻無從下手
新項目上線，對各種JVM參數設定一臉懵逼，直接預設，然後就JJ了
每次面試都要重新背一遍JVM的一些原理概念性東西

這段廣告語寫的好，趁着在家辦公學習下JVM，先列出整體知識點

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Java開發都知道JVM是Java虛拟機，上學時還用過的VM也叫虛拟機，先比較一波

虛拟機與Java虛拟機

所謂虛拟機（Virtual Machine），就是一台虛拟的計算機。它是一款軟體，用來執行一系列虛拟計算機指令。大體上，虛拟機可以分為系統虛拟機和程式虛拟機。

Visaual Box，VMware就屬于系統虛拟機，它們完全是對實體計算機的仿真，提供了一個可運作完整作業系統的軟體平台
程式虛拟機的典型代表就是Java虛拟機，它專門為執行單個計算機程式而設計，在Java虛拟機中執行的指令我們稱為Java位元組碼指令

JVM 是什麼

JVM

是

Java Virtual Machine

（Java虛拟機)的縮寫，

JVM

是一種用于計算裝置的規範，它是一個虛構的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模拟各種計算機功能來實作的。

Java虛拟機是二進制位元組碼的運作環境，負責裝載位元組碼到其内部，解釋/編譯為對應平台的機器指令執行。每一條Java指令，Java虛拟機規範中都有詳細定義，如怎麼取操作數，怎麼處理操作數，處理結果放在哪裡。

特點

一次編譯，到處運次（跨平台）
自動記憶體管理
自動垃圾回收功能

位元組碼

我們平時所說的java位元組碼，指的是用java語言編寫的位元組碼，準确的說任何能在jvm平台上執行的位元組碼格式都是一樣的，是以應該統稱為jvm位元組碼。

不同的編譯器可以編譯出相同的位元組碼檔案，位元組碼檔案也可以在不同的jvm上運作。

Java虛拟機與Java語言沒有必然的聯系，它隻與特定的二進制檔案格式——Class檔案格式關聯，Class檔案中包含了Java虛拟機指令集（或者稱為位元組碼、Bytecodes）和符号集，還有一些其他輔助資訊。

Java代碼執行過程

JVM的位置

JVM是運作在作業系統之上的，它與硬體沒有直接的互動。

JDK

(Java Development Kit) 是

Java

語言的軟體開發工具包（

SDK

）。

JDK

實體存在，是

 Java Language

、

Tools

JRE

和

JVM

的一個集合。

JVM整體結構

JVM的架構模型

Java編譯器輸入的指令流基本上是一種基于棧的指令集架構，另外一種指令集架構則是基于寄存器的指令集架構。

兩種架構之間的差別：

基于棧式架構的特點
- 設計和實作更簡單，适用于資源受限的系統；
- 避開了寄存器的配置設定難題，使用零位址指令方式配置設定；
- 指令流中的指令大部分是零位址指令，其執行過程依賴于操作棧。指令集更小，編譯器容易實作；
- 不需要硬體支援，可移植性更好，更好實作跨平台
基于寄存器架構的特點
- 典型的應用是X86的二進制指令集：比如傳統的PC以及Android的Davlik虛拟機；
- 指令集架構則完全依賴硬體，可移植性差；
- 性能優秀和執行更高效；
- 花費更少的指令去完成一項操作；
- 大部分情況下，基于寄存器架構的指令集往往都以一位址指令、二位址指令和三位址指令為主，而基于棧式架構的指令集卻是以零位址指令為主

由于跨平台性的設計，Java的指令都是根據棧來設計的。不同平台CPU架構不同，是以不能設計為基于寄存器的，優點是跨平台，指令集小，編譯器容易實作，缺點是性能下降，實作同樣的功能需要更多的指令。

分析基于棧式架構的JVM代碼執行過程

進入class檔案所在目錄，執行

javap -v xx.class

反解析（或者通過IDEA插件

Jclasslib

直接檢視），可以看到目前類對應的code區（彙編指令）、本地變量表、異常表和代碼行偏移量映射表、常量池等資訊。

以上圖中的 1+2 為例說明:

Classfile /Users/starfish/workspace/myCode/starfish-learning/starfish-learn/target/classes/priv/starfish/jvm/JVM1.class
  Last modified 2020-2-7; size 487 bytes
  MD5 checksum 1a9653128b55585b2745270d13b17aaf
  Compiled from "JVM1.java"
public class priv.starfish.jvm.JVM1
  SourceFile: "JVM1.java"
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#22         //  java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #23            //  priv/starfish/jvm/JVM1
   #3 = Class              #24            //  java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lpriv/starfish/jvm/JVM1;
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               args
  #14 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               i
  #16 = Utf8               I
  #17 = Utf8               j
  #18 = Utf8               k
  #19 = Utf8               MethodParameters
  #20 = Utf8               SourceFile
  #21 = Utf8               JVM1.java
  #22 = NameAndType        #4:#5          //  "<init>":()V
  #23 = Utf8               priv/starfish/jvm/JVM1
  #24 = Utf8               java/lang/Object
{
  public priv.starfish.jvm.JVM1();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0       
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return        
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       5     0  this   Lpriv/starfish/jvm/JVM1;

  public static void main(java.lang.String[]);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_1      //冒号前的數字表示程式計數器的數，常量1入棧
         1: istore_1      //儲存到1的操作數棧中,這裡的1表示操作數棧的索引位置
         2: iconst_2      
         3: istore_2      
         4: iload_1       //加載
         5: iload_2       
         6: iadd          //常量出棧，求和
         7: istore_3      //存儲到索引為3的操作數棧
         8: return        
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 4
        line 9: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
               2       7     1     i   I
               4       5     2     j   I
               8       1     3     k   I
      MethodParameters: length = 0x5
       01 00 0D 00 00 
}

JVM生命周期

虛拟機的啟動

Java虛拟機的啟動是通過引導類加載器（Bootstrap Class Loader）建立一個初始類（initial class）來完成的，這個類是由虛拟機的具體實作指定的。

虛拟機的執行

一個運作中的Java虛拟機有着一個清晰的任務：執行Java程式
程式開始執行時它才運作，程式結束時它就停止
執行一個所謂的Java程式的時候，真正執行的是一個叫做Java虛拟機的程序
你在同一台機器上運作三個程式，就會有三個運作中的Java虛拟機。 Java虛拟機總是開始于一個main()方法，這個方法必須是公有、傳回void、隻接受一個字元串數組。在程式執行時，你必須給Java虛拟機指明這個包含main()方法的類名。

虛拟機的退出

有以下幾種情況：

程式正常執行結束
程式在執行過程中遇到了異常或錯誤而異常終止
由于作業系統出現錯誤而導緻Java虛拟機程序終止
某線程調用Runtime類或System類的exit方法，或Runtime類的halt方法，并且Java安全管理器也允許這次exit或halt操作
除此之外，JNI(Java Native Interface)規範描述了用 JNI Invocation API 來加載或解除安裝Java虛拟機時，Java虛拟機的退出情況

Java和JVM規範

Java Language and Virtual Machine Specifications

JVM發展曆程

JDK 版本更新不僅僅展現在語言和功能特性上，還包括了其編譯和執行的 Java 虛拟機的更新。

1990年，在Sun計算機公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling上司的小組Green Team，開發出的新的程式語言，命名為Oak，後期命名為Java
1995年，Sun正式釋出Java和HotJava産品，Java首次公開亮相
1996 年，JDK 1.0 釋出時，提供了純解釋執行的 Java 虛拟機實作：Sun Classic VM。
1997 年，JDK 1.1 釋出時，虛拟機沒有做變更，依然使用 Sun Classic VM 作為預設的虛拟機
1998 年，JDK 1.2 釋出時，提供了運作在 Solaris 平台的 Exact VM 虛拟機，但此時還是用 Sun Classic VM 作為預設的 Java 虛拟機，同時釋出了JSP/Servlet、EJB規範，以及将Java分成J2EE、J2SE、J2ME
2000 年，JDK1.3 釋出，預設的 Java 虛拟機由 Sun Classic VM 改為 Sun HotSopt VM，而 Sun Classic VM 則作為備用虛拟機
2002 年，JDK 1.4 釋出，Sun Classic VM 退出商用虛拟機舞台，直接使用 Sun HotSpot VM 作為預設虛拟機一直到現在
2003年，Java平台的Scala正式釋出，同年Groovy也加入了Java陣營
2004年，JDK1.5釋出，同時JDK1.5改名為JDK5.0
2006年，JDK6釋出，同年，Java開源并建立了OpenJDK。順理成章，Hotspot虛拟機也成為了OpenJDK預設虛拟機
2008年，Oracle收購BEA，得到了JRockit虛拟機
2010年，Oracle收購了Sun，獲得Java商标和HotSpot虛拟機
2011年，JDK7釋出，在JDK1.7u4中，正式啟用了新的垃圾回收器G1
2014年，JDK8釋出，用元空間MetaSpace取代了PermGen
2017年，JDK9釋出，将G1設定為預設GC，替代CMS

Sun Classic VM

世界上第一款商用 Java 虛拟機。1996年随着Java1.0的釋出而釋出，JDK1.4時完全被淘汰；
這款虛拟機内部隻提供解釋器；
如果使用JIT編譯器，就需要進行外挂。但是一旦使用了JIT編譯器，JIT就會接管虛拟機的執行系統，解釋器就不再工作，解釋器和編譯器不能配合工作；
現在hotspot内置了此虛拟機

Exact VM

它的執行系統已經具備了現代高性能虛拟機的雛形：如熱點探測、兩級即時編譯器、編譯器與解析器混合工作模式等；
使用準确式記憶體管理：虛拟機可以知道記憶體中某個位置的資料具體是什麼類型；
在商業應用上隻存在了很短暫的時間就被更優秀的 HotSpot VM 所取代

Sun HotSpot VM

它是 Sun JDK 和 OpenJDK 中所帶的虛拟機，也是目前使用範圍最廣的 Java 虛拟機；
繼承了 Sun 之前兩款商用虛拟機的優點（如準确式記憶體管理），也使用了許多自己新的技術優勢，如熱點代碼探測技術（通過執行計數器找出最具有編譯價值的代碼，然後通知 JIT 編譯器以方法為機關進行編譯；
Oracle 公司分别收購了 BEA 和 Sun，并在 JDK8 的時候，整合了 JRokit VM 和 HotSpot VM，如使用了 JRokit 的垃圾回收器與 MissionControl 服務，使用了 HotSpot 的 JIT 編譯器與混合的運作時系統。

BEA JRockit VM

專注于伺服器端應用，内部不包含解析器實作；
号稱是世界上最快的JVM

IBM J9 VM

全稱：IBM Technology for Java Virtual Machine，簡稱IT4J，内部代号：J9
市場定位于HotSpot接近，伺服器端、桌面應用、嵌入式等多用途VM
目前是有影響力的三大商用虛拟機之一

虛拟機有很多，此外還有Azul VM、Liquid VM、Apache Harmony、TaobaoJVM、Graal VM等

參考

《深入了解Java虛拟機》

《尚矽谷JVM》

JVM解毒——JVM與Java體系結構

虛拟機與Java虛拟機

JVM 是什麼

特點

位元組碼

Java代碼執行過程

JVM的位置

JVM整體結構

JVM的架構模型

分析基于棧式架構的JVM代碼執行過程

JVM生命周期

虛拟機的啟動

虛拟機的執行

虛拟機的退出

Java和JVM規範

JVM發展曆程

Sun Classic VM

Exact VM

Sun HotSpot VM

BEA JRockit VM

IBM J9 VM

參考

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