JVM概述

(1) 学习JVM三个目的：

• 目的1: 面试需要

学习JVM并不仅仅在于面试，而在于更深入地理解 Java 这门语言，以及为未来排查线上问题打下基础 。

• 目的2:深入地理解 Java 这门语言

很多时候你要解决一个问题必须深入到字节码层次去分析，你才能得到准确的结论，而字节码就是虚拟机的一部分

• 目的3: 学习虚拟机是为了今后更好的解决线上排查问题

我们知道我们一个Java 应用部署在线上机器上，肯定时不时会出现问题。除去网络、系统本身问题，很多时候 Java 应用出现问题，就是 Java 虚拟机的内存出现了问题。要么是内存溢出了，要么是 GC 频繁导致响应慢等等。那如何解决这些问题呢？

(2）什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

2.1主流虚拟机

2.2 JVM与操作系统

Java 是一门抽象程度特别高的语言，提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的，所以就需要 JVM 进行一番转换。

从图中可以看到，有了 JVM 这个抽象层之后，Java 就可以实现跨平台了。JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件，就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上了。

而 Java 跨平台的意义在于一次编译，处处运行，能够做到这一点 JVM 功不可没。比如我们在 Maven 仓库下载同一版本的 jar 包就可以到处运行，不需要在每个平台上再编译一次。

现在的一些 JVM 的扩展语言，比如 Clojure、JRuby、Groovy 等，编译到最后都是 .class 文件，Java 语言的维护者，只需要控制好 JVM 这个解析器，就可以将这些扩展语言无缝的运行在 JVM 之上了。

2.3 应用程序、JVM、操作系统之间的关系

我们用一句话概括 JVM 与操作系统之间的关系：JVM 上承开发语言，下接操作系统，它的中间接口就是字节码。

(3) JVM、JRE、JDK 的关系

JVM 是 Java 程序能够运行的核心。但是需要注意，JVM 自己什么也干不了，你需要给它提供生产原料（.class 文件） 。

仅仅是 JVM，是无法完成一次编译，处处运行的。它需要一个基本的类库，比如怎么操作文件、怎么连接网络等。而 Java 体系很慷慨，会一次性将 JVM 运行所需的类库都传递给它。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了 Java 的运行时环境，也就是我们常说的 JRE（Java Runtime Environment）

对于 JDK 来说，就更庞大了一些。除了 JRE，JDK 还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac、java、jar 等。它是 Java 开发的核心，让外行也可以炼剑！

我们也可以看下 JDK 的全拼，Java Development Kit。我非常怕 kit（装备）这个单词，它就像一个无底洞，预示着你永无休止的对它进行研究。JVM、JRE、JDK 它们三者之间的关系，可以用一个包含关系表示。

(4) Java虚拟机规范和 Java 语言规范的关系

左半部分是 Java 虚拟机规范，其实就是为输入和执行字节码提供一个运行环境。右半部分是我们常说的 Java 语法规范，比如 switch、for、泛型、lambda 等相关的程序，最终都会编译成字节码。而连接左右两部分的桥梁依然是Java 的字节码。

如果 .class 文件的规格是不变的，这两部分是可以独立进行优化的。但 Java 也会偶尔扩充一下 .class 文件的格式，增加一些字节码指令，以便支持更多的特性。

我们可以把 Java 虚拟机可以看作是一台抽象的计算机，它有自己的指令集以及各种运行时内存区域，学过《计算机组成结构》的同学会在课程的后面看到非常多的相似性。

最后，我们简单看一下一个 Java 程序的执行过程，它到底是如何运行起来的。

这里的 Java 程序是文本格式的。比如下面这段 HelloWorld.java，它遵循的就是 Java 语言规范。其中，我们调用了System.out 等模块，也就是 JRE 里提供的类库。

public class HelloWorld {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello World");
 }
}

使用 JDK 的工具 javac 进行编译后，会产生 HelloWorld 的字节码。我们一直在说 Java 字节码是沟通 JVM 与 Java 程序的桥梁，下面使用 javap 来稍微看一下字节码到底长什么样子。

Java 虚拟机采用基于栈的架构，其指令由操作码和操作数组成。这些 字节码指令 ，就叫作 opcode。其中，getstatic、ldc、invokevirtual、return 等，就是 opcode，可以看到是比较容易理解的。

JVM 就是靠解析这些 opcode 和操作数来完成程序的执行的。当我们使用 Java 命令运行 .class 文件的时候，实际上就相当于启动了一个 JVM 进程。

然后 JVM 会翻译这些字节码，它有两种执行方式。常见的就是解释执行，将 opcode + 操作数翻译成机器代码；另外一种执行方式就是 JIT，也就是我们常说的即时编译，它会在一定条件下将字节码编译成机器码之后再执行。

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