JVM上篇内存与垃圾回收-JVM与Java体系结构

什么是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

.class文件

.class文件是Java编译器将Java源代码编译成字节码后，生成的二进制文件存储形式。在Java编译过程中，先将Java源代码编译成字节码文件（.class文件），再由Java虚拟机（JVM）解释执行字节码文件。

具体来说，将Java源代码编译成字节码文件的过程如下：

1. 编写Java源代码文件，并保存为以.java为扩展名的文件。
2. 使用Java编译器（javac）编译Java源代码文件，生成.class文件。
3. 将生成的.class文件传递到Java虚拟机（JVM）中，由JVM解释执行.

在实际应用中，Java程序在运行时会自动加载需要使用的类文件，而这些类文件都需要事先编译成.class文件。

Java虚拟机整体架构祥图

Java代码执行过程详图

汇编语言、机器语言、高级语言关系

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

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。栈的优点是跨平台，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。

javap 查看字节码

• -v输出附加信息
• -l输出行号和本地变量表
• -p显示所有类和成员
• -c对代码进行反汇编

JVM的生命周期

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。

JVM发展历程

• sun Classic VM
  • 世界第一款商用Java虚拟机
  • JDK1.4时被淘汰
  • 只提供了解释器
  • 如果使用JIT编译器，就需要外挂，但是JIT和解释器不能配合工作
• 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
    • 虚拟机知道内存中某个位置的数据是什么类型
  • 具有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，其他平台还是Classic vm
    • 英雄气短，被hotspot虚拟机替换
• hotspot虚拟机
  • 最初由Longview Technologies的小公司设计，1997年被sun公司收购，2009年sun公司被甲骨文收购
  • JDK1.3时，HotSpot VM成为默认虚拟机
  • 绝对市场地位，称霸武林
    • JDK6,8等均默认
  • HotSpot就是他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，在优化响应时间和最佳执行性能中取得平衡
• JRockit
  • BEA公司
  • 专注服务器端应用
    • 不太关注程序启动速度，引起JRockit内部不包括解析器实现，全部代码靠即时编译器编译后执行
  • 世界上最快的JVM
  • 全面的Java运行时解决方案组合
    • JRockit Real Time提供毫秒或微秒级的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，极低的开销，来监控、管理和分析生成环境中的应用程序的工具
  • 2008年BEA被oracle收购
  • JDK8中，在HOTSPOT的基础上，移植JRockit的优秀特性
• IBM 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
  • 广泛应用于IBM的各种Java产品
    • IBM产品结合使用性能最好
  • 有影响力的三大商用虚拟机之一
  • 2017开源，OPEN J9
• KVM和CDC/CLDC HotSpot
  • JavaME产品线产品
    • 智能控制器、传感器、老人手机等
• Azul VM
  • 与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机
  • 运行于Azul Systems公司的专有硬件Vega系统上的虚拟机
  • 每个实例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，发布自己的Zing JVM，可以在通用X86平台上提供接近于vega系统的特性
• Liquid VM
  • BEA公司开发的，运行在自家Hypervisor系统上
  • 不需要操作系统支持，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
  • JDK1.5,1.6兼容IBM和In
  • tel联合开发的开源JVM，2011年退役Java
  • 类库代码吸纳进了Android SDK
• Microsoft JVM
  • 只能在Windows平台运行，xp系统中不用了。
• TaobaoJVM
  • 基于OpenJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK
  • 深度定制且开源的高性能服务器版JAVA虚拟机
  • GCIH：GC invisible heap，将生命周期较长的Java对象从heap中已到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
  • 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
  • 针对大数据场景的ZenGC
  • 在阿里产品上性能高，硬件严重依赖intel的CPU，损失了兼容性，但是提高了性能
  • 淘宝、天猫上线，把oracle官方JVM版本全部替换
• Dalvik VM
  • 谷歌开发，应用于Android系统，安卓2.2提供了JIT，发展迅猛
  • 只能称作虚拟机，不能称作Java虚拟机，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
  • 执行的是编译后的dex文件，执行效率比较高
  • 安卓5.0使用支持提前编译AOT的ART VM替换Dalvik VM
• Grall VM
  • 2018年4月，Oracle labs公开了GraalVM。
  • 跨语言全栈虚拟机，可以作为任何语言的运行平台使用

总结

具体JVM的内存结构，其实取决于其实现，不同厂商的JVM，或者同一厂商发布的不同版本，都有可能存在一定差异。主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。