谈谈您对Java平台的理解?

本文探讨了Java平台的核心理念“Write once, run anywhere”以及Java的运行机制。内容涉及Java的跨平台能力、垃圾收集、JRE与JDK的区别、JVM的解释执行与JIT编译器的作用。同时,文章讨论了类加载机制、自定义Class-Loader、垃圾收集器和JVM启动参数。最后,提到了AOT编译和JVM上的多种语言支持。" 129319954,11351369,Debian上配置Docker并打包到固件,"['驱动开发', 'debian', 'docker']

“Write once, run anywhere”,这句话您是怎么理解的?

“Java 是解释执行”,这句话是否正确?

一些经典的回答是这样的

1. Java 本身是一种面向对象的语言,最显著的特性有两个方面,一是所谓的“书写一次,到处运行”(Write once, run anywhere),能够非常容易地获得跨平台能力;另外就是垃圾收集(GC, Garbage Collection),Java 通过垃圾收集器(Garbage Collector)回收分配内存,大部分情况下,程序员不需要自己操心内存的分配和回收。

2. 我们日常会接触到 JRE(Java Runtime Environment)或者 JDK(Java Development Kit)。 JRE,也就是 Java 运行环境,包含了 JVM 和 Java 类库,以及一些模块等。而 JDK 可以看作是 JRE 的一个超集,提供了更多工具,比如编译器、各种诊断工具等。

3. 对于“Java 是解释执行”这句话,这个说法不太准确。我们开发的 Java 的源代码,首先通过 Javac 编译成为字节码(bytecode),然后,在运行时,通过 Java 虚拟机(JVM)内嵌的解释器将字节码转换成为最终的机器码。但是常见的 JVM,比如我们大多数情况使用的 Oracle JDK 提供的 Hotspot JVM,都提供了 JIT(Just-In-Time)编译器,也就是通常所说的动态编译器,JIT 能够在运行时将热点代码编译成机器码,这种情况下部分热点代码就属于编译执行,而不是解释执行了。

知识扩展

1. 对于 Java 平台的理解,可以从很多方面简明扼要地谈一下,例如:Java 语言特性,包括泛型、Lambda 等语言特性;基础类库,包括集合、IO/NIO、网络、并发、安全等基础类库。对于我们日常工作应用较多的类库,面试前可以系统化总结一下,有助于临场发挥。

2. 或者谈谈 JVM 的一些基础概念和机制,比如 Java 的类加载机制,常用版本 JDK(如 JDK 8)内嵌的 Class-Loader,例如 Bootstrap、 Application 和 Extension Class-loader;类加载大致过程:加载、验证、链接、初始化(这里参考了周志明的《深入理解 Java 虚拟机》,非常棒的 JVM 上手书籍);自定义 Class-Loader 等。还有垃圾收集的基本原理,最常见的垃圾收集器,如 SerialGC、Parallel GC、 CMS、 G1 等。

3. 当然还有 JDK 包含哪些工具或者 Java 领域内其他工具等,如编译器、运行时环境、安全工具、诊断和监控工具等。这些基本工具是日常工作效率的保证,对于我们工作在其他语言平台上,同样有所帮助,很多都是触类旁通的。

4. 众所周知,我们通常把 Java 分为编译期和运行时。这里说的 Java 的编译和 C/C++ 是有着不同的意义的,Javac 的编译,编译 Java 源码生成“.class”文件里面实际是字节码,而不是可以直接执行的机器码。Java 通过字节码和 Java 虚拟机(JVM)这种跨平台的抽象,屏蔽了操作系统和硬件的细节,这也是实现“一次编译,到处执行”的基础。

5. 在运行时,JVM 会通过类加载器(Class-Loader)加载字节码,解释或者编译执行。就像我前面提到的,主流 Java 版本中,如 JDK 8 实际是解释和编译混合的一种模式,即所谓的混合模式(-Xmixed)。通常运行在 server 模式的 JVM,会进行上万次调用以收集足够的信息进行高效的编译,client 模式这个门限是 1500 次。Oracle Hotspot JVM 内置了两个不同的 JIT compiler,C1 对应前面说的 client 模式,适用于对于启动速度敏感的应用,比如普通 Java 桌面应用;C2 对应 server 模式,它的优化是为长时间运行的服务器端应用设计的。默认是采用所谓的分层编译(TieredCompilation)。

6. Java 虚拟机启动时,可以指定不同的参数对运行模式进行选择。 比如,指定“-Xint”,就是告诉 JVM 只进行解释执行,不对代码进行编译,这种模式抛弃了 JIT 可能带来的性能优势。毕竟解释器(interpreter)是逐条读入,逐条解释运行的。与其相对应的,还有一个“-Xcomp”参数,这是告诉 JVM 关闭解释器,不要进行解释执行,或者叫作最大优化级别。那你可能会问这种模式是不是最高效啊?简单说,还真未必。“-Xcomp”会导致 JVM 启动变慢非常多,同时有些 JIT 编译器优化方式,比如分支预测,如果不进行 profiling,往往并不能进行有效优化。

7. 除了我们日常最常见的 Java 使用模式,其实还有一种新的编译方式,即所谓的 AOT(Ahead-of-Time Compilation),直接将字节码编译成机器代码,这样就避免了 JIT 预热等各方面的开销,比如 Oracle JDK 9 就引入了实验性的 AOT 特性,并且增加了新的 jaotc 工具。利用下面的命令把某个类或者某个模块编译成为 AOT 库。

jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class
jaotc --output libjava.base.so --module java.base

然后,在启动时直接指定就可以了。

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld

而且,Oracle JDK 支持分层编译和 AOT 协作使用,这两者并不是二选一的关系。如果你有兴趣,可以参考相关文档:http://openjdk.java.net/jeps/295。AOT 也不仅仅是只有这一种方式,业界早就有第三方工具(如 GCJ、Excelsior JET)提供相关功能。另外,JVM 作为一个强大的平台,不仅仅只有 Java 语言可以运行在 JVM 上,本质上合规的字节码都可以运行,Java 语言自身也为此提供了便利,我们可以看到类似 Clojure、Scala、Groovy、JRuby、Jython 等大量 JVM 语言,活跃在不同的场景。

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