JVM与Java体系结构

Java VS C++

• 内存动态分配
• 垃圾收集技术

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，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

  ➢ 大名鼎鼎的 Visual Box，VMware 就属于系统虚拟机，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。

➢ 程序虚拟机的典型代表就是 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。

• 无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虛拟机提供的资源中。

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 虛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

JVM的位置

JVM 是运行在操作系统上的，它与硬件没有直接的交互。

JDK，JRE

• DK 的全称(Java Development Kit Java 开发工具包)

  JDK = JRE + java 开发工具集

  java 开发工具集包括 java、javac、javadoc、javap、java编译工具等]

  JDK 是提供给 Java 开发人员使用的，其中包含了 java 的开发工具，也包括了 JRE。所以安装了 JDK，就不用在单独安装 JRE了

• JRE(Java Runtime Environment Java 运行环境)

  JRE = JVM + Java 的核心类库[类]

  包括 Java 虚拟机(JVM Java Virtual Machine)和 Java 程序所需的核心类库等，如果想要运行一个开发好的 Java 程序， 计算机中只需要安装 JRE 即可。

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译器并存的架构。
• 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

Java代码的执行流程

JIT 编译器：热点代码

Java 编译器：基于栈的指令集架构 跨平台性、指令集小、指令多；执行性能比寄存器差

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。

两种架构之间的区别:

• 基于栈式架构的特点**(8位)**

  ​ ➢ 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**(16位)**

  ​ ➢ 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 虛拟机

  ​ ➢ 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

由于跨平台的设计，Java 的指令都是根据栈来设计的

JVM 的生命周期

• 启动

  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

• 执行

  1. 一个运行中的 Java 虚拟机有着一个清晰的任务：执行 Java 程序
  2. 随着程序的开始而开始，结束而结束
  3. 执行一个 Java 程序的时候，实际上执行的是一个 Java 虚拟机的进程

• 退出

  1. 程序正常执行结束
  2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  3. 由于操作系统出现错误而导致 Java 虚拟机进程终止
  4. 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

JVM 发展历程

Sun Classic VM

• 早在1996年Javal.0版本的时候，Sun公司发布了一 款名为Sun ClassicVM的Java虛拟机，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

  ➢ 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

  ➢ 英雄气短，终被Hotspot虚拟机替换

SUN公司的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

● 目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林

​ ➢ 不管是现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中，默认的虛拟机都是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 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 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服务器之一，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，也称为Ecilpse OpenJ9