1. Java & JVM 简介

1.2 Java 生态圈

Java 是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java 及其社区的不断壮大，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。

• 作为一个平台 ：Java 虚拟机扮演者举足轻重的作用。
  • Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平台的一部分
• 作为一种文化 ：Java几乎成为了 “开源” 的代名词。
  • 第三方开源软件、框架（Tomcat、Struts、MyBatis、Spring等）
  • JDK、JVM也有不少开源实现（OpenJDK）
• 作为一个社区 ：Java拥有世界最多的技术拥护者和开源社区支持，有数不清的论坛和资料。从桌面应用、嵌入式开发道企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到Java的身影。

1.3 Java：跨平台的语言

"write once, run anywhere. "

1.4 JVM：跨语言的平台

The Java Virtual Machine is the cornerstone of the Java platform. It is the component of the technology responsible for its hardware- and operating system-independence, the small size of its compiled code, and its ability to protect users from malicious programs.

The Java Virtual Machine is an abstract computing machine. Like a real computing machine, it has an instruction set and manipulates various memory areas at run time.

Java 虚拟机 是 Java平台 的基石。它是 Java技术的组成部分，主要负责硬件、操作系统的独立性。以及保证其编译后文件的小尺寸，以及保护用户免于恶意程序的攻击。

Java虚拟机 是一个抽象的计算机，但是就像一个真实的虚拟机一样， 它也有它的指令集、运行时内存区。

• Java 虚拟机设计者通过 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 虚拟机不关注运行在其内部的程序使用何种编程语言编写的，它只关注 “字节码” 文件。

• Java 虚拟机拥有语言无关性，并不会单纯地与 Java语言 “终身绑定”，只要其他编程语言的编译结果满足并包含 Java 虚拟机的内部指令集、符号表、其他辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。

1.5 字节码

我们平时所说的 Java 字节码，指的是用 Java语言 编译而成的字节码。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。可以统称为：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，他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（字节码 / Bytecodes）、符号表、其他辅助信息。

1.6 多语言混合编程

Java 平台上的多语言混合编程正成为主流，通过特定领域的语言去解决特定领域的问题是当前软件开发应对日趋复杂的项目去需求的一个方向。

试想，在一个项目中，并行处理用 Clojure 语言编写，展示层用 JRuby/Rails，中间层则是 Java，每个应用层都将使用不同的编程语言来完成，而且，接口对每一层的开发者都是透明的，各种语言的交互不存在任何困难，就像使用自己的语言的原生API一样方便，因为他们最终都运行在一个虚拟机之上。

对这些运行于Java虚拟机之上、Java之外的语言，来自系统级的、底层的支持正在迅速增强，以 JSR-292 为核心的一系列项目和功能改进（如DaVinci Machine项目、Nashorn引擎、Invoke Dynamic指令、java.lang.invoke包等），推动Java虚拟机从 “Java 语言虚拟机” 向 “多语言虚拟机” 的方向发展。

2. 虚拟机 & Java 虚拟机

2.1 虚拟机

虚拟机（Virtual Machine），即一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，可分为 系统虚拟机 和 程序虚拟机。

• 系统虚拟机，如Visual Box,VMware，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。
• 系统虚拟机，如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、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。

2.2 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、可靠的及时编译器。

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，负责状态字节码到内部，解释/编译为对应平台上的及其指令执行。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如：如何取操作数、如何处理操作数、处理结果放在哪。

特点

• 一次编译，到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收功能

位置

JVM 运行在操作系统之上，它与硬件没有直接交互。

JVM 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辑器并存的架构。

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。

多线程 共享 方法区、堆，单线程 独占自己的 Java栈、本地方法栈、程序计数器。

2.3 Java 代码执行流程

2.4 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 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，可以执行更好，更好实现跨平台
  • 字节码8位对齐
• 基于 寄存器架构 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、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，基于起存其架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令、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
  • 字节码16位对齐

零地址指令：

机器指令的一种，指令系统中的一种不设地址字段的指令，只有操作码，没有操作数。

这种指令有两种情况：一是无需操作数，另一种是操作数为默认的（隐含的），默认操作数在寄存器中，指令可直接访问寄存器。

基于栈式架构：操作栈顶即可，所以不需要操作数。

2.4.1 两种架构 执行对比

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（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
  

• 基于寄存器的计算流程：

  mov eax,2	//将eax寄存器的值设为2
  add eax,3	//使eax寄存器的值加3
  

2.4.2 Java程序执行（基于栈的计算流程）

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2 + 3;
    }
}

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
    }
}

由于跨平台性的设计，Java 指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计位基于寄存器的。

• 优点：跨平台、指令集小，编译器容易实现

• 缺点：性能下降，实现同样的功能需要更多的指令

2.5 JVM 生命周期

2.5.1 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。

2.5.2 虚拟机的运行

• 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。
• 程序开始执行时它才运行，程序结束时它就停止。
• 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。

对于第3点，做程序测试：

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        // int i = 2 + 3;
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;


        try {
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("hello");
    }
}

jps (JavaVirtualMachine Process Status Tool) 是java提供的一个显示当前所有java进程pid的命令,适合在linux/unix平台上简单察看当前java进程的一些简单情况。

2.5.3 虚拟机的退出

有如下几种情况：

• 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 (饿汉式单例) / 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（最终 调用 Shutdown 类中的本地方法 halt0）

此外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API 来加载/卸载 Java虚拟机时，Java 虚拟机的退出情况。

2.6 JVM 发展历程

2.6.1 Sun Classic VM

• 世界上第一款商用Java虚拟机
• 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。一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释其就不再工作。解释器、编译器不能配合工作。
• 现在HotSpot 内置了此虚拟机。

2.6.2 Exact VM

• 为了解决上一个虚拟机问题，JDK 1.2 时，SUN提供了此虚拟机 。
• Exact Memory Management：准确式内存管理
  • 也称 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 + 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

2.6.3 HotSpot VM

• HotSpot 历史
  • 最初由一家名为 “Longview Technologies” 的小公司设计，后来此公司被Sun收购
  • JDK 1.3 时，HotSpot VM 成为默认虚拟机
• 目前，HotSpot占有绝对的市场地位
  • JDK 8默认虚拟机为 HotSpot
  • Sun/Oracle JDK 和 OpenJDK 的默认虚拟机
• 服务器、桌面、应用端、嵌入式广泛应用
• 名称中的HotSpot指代其热点代码探测技术
  • 通过计数器找到最具编译价值代码，触发即使编译/栈上替换
  • 通过编译器 + 解释器 协同工作，在最优化的的程序响应时间（解释器）与 最佳性能（编译器）中取得平衡

2.6.4 BEA JRockit VM

• 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 内部不包含解释其实现，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 时世界上最快的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/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，它是一组以基地的开销来监控、管理、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。整合方式时在HotSpot 的基础上，移植JRockit 的优秀特性。

2.6.5 IBM J9 VM

• 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，也成为 Eclipse OpenJ9

2.6.6 KVM 和 CDC/CLDC HotSpot

• Oracle 在 Java ME 产品线上的两款虚拟机位：CDC/CLDC HotSpot Implementation 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
• 所有虚拟机的原则：一次编译，到处运行

2.6.7 Azul VM

• 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
• 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，发布自己的Zing JVM（低延迟、快速预热），可以在通用x86平台上提供接近于Vega系统的特性。

2.6.8 Liquid VM

• 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不需要操作系统支持，或者说他自己本身实现了一个专用操作系统的必要功能（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 项目停止

2.6.9 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，收到同样开源的OpenJDK的压制，Sun 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 类库被吸纳进了 Android SDK

2.6.10 Microsoft JVM

• 微软为了在IE3浏览器中支持Java Applets，开发了Microsoft JVM
• 只能在Window平台下运行。但确实是当时Windows 下性能最好的 Java VM。
• 1997年，Sun 公司指控微软，使其在WindowsXP SP3 中抹掉了其VM。现在Windows安装JDK均使用HotSpot。

2.6.11 Taobao JVM

• 由 阿里巴巴公司 AliJVM 团队发布。
• 基于OpenJDK 开发了 自己的定制版本 Alibaba JDK，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，以次达到降低 GC 回收频率 和提升 GC 的回收效率 的目的。
  • GCIH 中的 对象还能在 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，以替换 Oracle 官方的 JVM 版本

<Android> Dalvik VM

• 谷歌开发的，应用于 Android 系统，并在 Android 2.2 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，而非 JVM的栈架构
• 执行的是编译后的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 5.0 使用支持提前编译（Ahead of Time Compilation, AOT）的 ART VM 替换 Dalvik VM。

2.6.12 Graal VM

• 2018年4月，Oracle Labs 公开了 Graal VM，号称 “Run Program Faster Anywhere”，与1995年Java 的 “write once, run anywhere” 遥相呼应。
• 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。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：将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式【程序特化 (Specialized, Partial Evaluation)】，通过解释其转换为能被 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 软件生态没有丝毫变化。

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：将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式【程序特化 (Specialized, Partial Evaluation)】，通过解释其转换为能被 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 软件生态没有丝毫变化。