JVM（一）体系结构

JVM（一）体系结构

前言

你是否也遇到过这些问题？

1. 运行着的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接OOM！
2. 想解决线上JVM GC问题，但却无从下手。
3. 新项目上线，对各种JVM参数设置一脸茫然，直接默认吧然后就JJ了。
4. 每次面试之前都要重新背一遍JVM的一些原理概念性的东西，然而面试官却经常问你在实际项目中如何调优VM参数，如何解决GC、OOM等问题，一脸懵逼。
   
   大部分Java开发人员，除了会在项目中使用到与Java平台相关的各种高精尖技术，对于Java技术的核心Java虚拟机了解甚少。

开发人员如何看待上层框架

1. 一些有一定工作经验的开发人员，打心眼儿里觉得SSM、微服务等上层技术才是重点，基础技术并不重要，这其实是一种本末倒置的“病态”。
2. 如果我们把核心类库的API比做数学公式的话，那么Java虚拟机的知识就好比公式的推导过程。

JAVA及JVM简介

Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java以及Java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。

1. 作为一个平台，Java虚拟机扮演着举足轻重的作用
   Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平台的一部分
2. 作为一种文化，Java几乎成为了“开源”的代名词。

• 第三方开源软件和框架。如Tomcat、Struts，MyBatis，Spring等。
• 就连JDK和JVM自身也有不少开源的实现，如openJDK、Harmony。

3. 作为一个社区，Java拥有全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。从桌面应用软件、嵌入式开发到企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到Java的身影。其应用形式之复杂、参与人数之众多也令人咋舌。
   
4. 随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过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。
5. Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的，它只关心“字节码”文件。也就是说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、符号表以及其他的辅助信息，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。

• Java不是最强大的语言，但是JVM是最强大的虚拟机

1. 我们平时说的java字节码，指的是用java语言编译成的字节码。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。所以应该统称为：jvm字节码。
2. 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。
3. Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它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（或者称为字节码、Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。

多语言混合编程

1. 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需求的一个方向。
2. 试想一下，在一个项目之中，并行处理用Clojure语言编写，展示层使用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，各种语言之间的交互不存在任何困难，就像使用自己语言的原生API一样方便，因为它们最终都运行在一个虚拟机之上。
3. 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、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等），推动Java虚拟机从“Java语言的虚拟机”向 “多语言虚拟机”的方向发展。

JAVA发展的重大历史事件

1. 1990年，在Sun计算机公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team，开发出的新的程序语言，命名为Oak，后期命名为Java
2. 1995年，Sun正式发布Java和HotJava产品，Java首次公开亮相。
3. 1996年1月23日Sun Microsystems发布了JDK 1.0。
4. 1998年，JDK1.2版本发布。同时，Sun发布了JSP/Servlet、EJB规范，以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。
5. 2000年，JDK1.3发布，Java HotSpot Virtual Machine正式发布，成为Java的默认虚拟机。
6. 2002年，JDK1.4发布，古老的Classic虚拟机退出历史舞台。
7. 2003年年底，Java平台的scala正式发布，同年Groovy也加入了Java阵营。
8. 2004年，JDK1.5发布。同时JDK1.5改名为JavaSE5.0。
9. 2006年，JDK6发布。同年，Java开源并建立了OpenJDK。顺理成章，Hotspot虚拟机也成为了OpenJDK中的默认虚拟机。
10. 2007年，Java平台迎来了新伙伴Clojure。
11. 2008年，oracle收购了BEA，得到了JRockit虚拟机。
12. 2009年，Twitter宣布把后台大部分程序从Ruby迁移到Scala，这是Java平台的又一次大规模应用。
13. 2010年，Oracle收购了Sun，获得Java商标和最真价值的HotSpot虚拟机。此时，Oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机HotSpot和JRockit，并计划在未来对它们进行整合：HotRockit。JCP组织管理Java语言
14. 2011年，JDK7发布。在JDK1.7u4中，正式启用了新的垃圾回收器G1。
15. 2017年，JDK9发布。将G1设置为默认GC，替代CMS
16. 同年，IBM的J9开源，形成了现在的Open J9社区
17. 2018年，Android的Java侵权案判决，Google赔偿Oracle计88亿美元
18. 同年，Oracle宣告JavagE成为历史名词JDBC、JMS、Servlet赠予Eclipse基金会
19. 同年，JDK11发布，LTS版本的JDK，发布革命性的ZGC，调整JDK授权许可
20. 2019年，JDK12发布，加入RedHat领导开发的Shenandoah GC

JVM的整体结构

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。

JVM是运行在操作系统上的，它与硬件没有直接的交互。

JVM代码执行流程

• HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一
• 它采用解释器和即时编译器并存的架构
• 再今天，Java程序的运行性能已经可以和c++一较高下的地步。
  java的编译器输入的指令流基本是一种基于栈的指令集架构，另外一种是指令集架构是基于寄存器的指令集架构。
• 基于栈的架构的特点
  1. 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统
  2. 避开了寄存器的分配的难题；使用零地址指令方式分配
  3. 指令流中的指令大部分是零地址指令，起执行过程依赖与操作栈、指令集更小，编译器容易实现
  4. 不需要硬件支持，可移植性好，更好实现跨平台
• 基于寄存器的指令集架构
  1. 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。
  2. 指令集架构则完全依赖硬件，与硬件的耦合度高，可移植性差
     性能优秀和执行更高效
  3. 花费更少的指令去完成一项操作
  4. 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

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
  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. 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止
  3. 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
  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. 由于操作系统用现错误而导致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。
  5. 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。