二、JVM从入门到精通之虚拟机详解

最新推荐文章于 2025-04-24 14:32:28 发布

猿小许

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分类专栏： JVM从入门到精通文章标签： JVM

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本文详细探讨了虚拟机概念、Java虚拟机（JVM）的工作原理，包括解释器与JIT编译器的区别，HotSpot架构的特性和JVM生命周期。通过实例演示了JVM启动、执行和退出的过程。重点介绍了Sun Classic VM、Exact VM和HotSpot VM的发展历程及其优劣。

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一、虚拟机

1.1 什么是虚拟机?

所谓虚拟机（Virtual Machine),就是一台虚拟计算机。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，他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与虚拟机提供的资源中。

1.2 Java虚拟机

Java 虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，他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，优秀的垃圾回收器，以及可靠的即使编译器。
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的定义，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

二、JVM的整体结构

2.1 JVM的位置

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

红色框：方法区和堆是多线程共享的，涉及线程安全问题
灰色框：Java栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的，不会设计到线程安全
执行引擎：因为计算机系统不识别字节码指令，所以要由执行引擎将字节码指令翻译为机器指令

2.2 JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流基木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。
具体来说:这两种架构之间的区别:·

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Fc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。

举个例子，为什么说寄存器架构的指令少性能更加优秀？

在这里插入图片描述
从上图可以看到，因为对一个简单的加法进行操作时，会有很多的入栈出栈的操作，每一个操作都需要一个指令去完成，所以栈式架构需要的指令更多，而寄存器架构只需要将两个参数的位置记录，使用的时候直接取出哪来用，避免了很多不需要的操作，所以性能会更好。

既然寄存器架构的性能比较好为什么JVM不使用呢?

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，寄存器又比较依赖于硬件，平台受限，所以不能设计为基于寄存器的。栈架构的优点是跨平台，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。

三、JVM的生命周期

在这里插入图片描述

3.1 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。

3.2 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。

我们下面写一个测试类，来观察jvm的执行过程

package com.jvmTest;

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i=2;
        int j=3;
        int z=i+j;
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            System.out.println("jvm退出");
        }
    }
}

运行main()方法后，点击下面的terminal选项输入jps命令观察，当程序执行完后，再次输入jps,对比下，可以看到

34748 StackStruTest

消失了
程序已经执行完后退出了，也就是JVM此时也正常退出了。
在这里插入图片描述

3.3 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
由于操作系统出现错误而导致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。

四、JVM的发展历程

4.1 Sun Classic VM

早在1996年Java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为Sun Classic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用虚拟机，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

问题:解释器与JIT编译器的区别
在这里插入图片描述

JIT编译器，英文写作Just-In-Time Compiler，中文意思是即时编译器。
JIT是一种提高程序运行效率的方法。通常，程序有两种运行方式：静态编译与动态解释。静态编译的程序在执行前全部被翻译为机器码，而动态解释执行的则是一句一句边运行边翻译。

就以java为例。在jdk 1.0时代，java虚拟完全是解释执行的。那什么是解释执行呢？解释器（你可以理解为翻译器）每次读一代码，就将字节码起转换（翻译）为JVM可执行的指令，一直到最后，说白了边听边译。这样的结果显易见，效率低下，更重要的是同样的代码每次都需要重新翻译。这怎么能忍，必须要解决啊。随着后面的发展，现在大多数的主流的JVM都包含即时编译器。那什么是即时编译器呢？所谓的即时编译器说白了就是将源代码直接生成符合本地物理机可识别的机器语言。还是拿java举例呗，JVM在运行期间会根据代码热度来选择是否代码转换为本地机器语言。当然，这个代码热度的判断相对复杂，不仅仅是某个方法调用的次数达到指定阀值，不同的场景有不同的策略，具体就不说了。即时编译器的好处在于可以对代码进行深度优化，同时提高效率(只编译了一次，以后每次都会调用执行的速度大大提高)，现在大部分的虚拟机都是解释器和即时编译器共同存在的

4.2 Exact VM 虚拟机

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

4.3 SUN公司的Hotspot VM

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JDR8中，默认的虚拟机都是HotSpotsun/Qracle JDK和lopenJDK的默认虚拟机
因此本课程中默认介绍的虚拟机都是Hotspot，相关机制也主要是指Hotspot的cc机
制。(比如其他两个商用虚拟机都没有方法区的概念）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

4.4 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，客户己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:全而的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提供以亳秒或微秒级的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表达了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。
高斯林:目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人

下面还有很多的虚拟机，我们就不一一的挑出来说明了…

下个章节我们将对JVM内部的各个模块做详细的剖析说明

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