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01、JVM实战 - JVM学习前言

分类：JVM 实战5    2024-03-17    阅读(103)

学习来源主要是看宋红康的视频辅以周志明老师的《深入理解java虚拟机》和网上查阅资料

1. 虚拟机

所谓虚拟机( Virtua 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

2. 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虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回收器，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。

2.1 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。

2.2 特点

  • 一次编译，到处运行（字节码文件）
  • 自动内存管理
  • 自动垃圾回收功能

2.3 jvm位置：

 

3. JVM整体结构

首先看两张图：
简化版本：
 
详细版本：
 
 

从图上我们可以大致了解到一个JVM工作的区域分配，已经一些流程。包括类编译成字节码文件，经过类加载子系统加载到内存中，内存中运行时数据区中的结构，内存中的垃圾回收机制等等，然后还包括执行引擎做运算。
我们按图上的顺序开始学习JVM，主要包括：内存与垃圾回收对应内存的结构，内存的分配与回收；字节码与类的加载，性能监控与调优。

4. java代码执行流程

 

5. jvm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。

具体来说：这两种架构之间的区别：

5.1 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

5.2 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PC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。
  • 在大部分情況下，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

5.3 举例：

 

6. JVM生命周期

6.1 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。

6.2 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。

6.3 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虚拟机的退出情況。

7. JVM发展历程

即jvm的历史版本

7.1 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

7.2 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

7.3 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，默认的虚拟机都是Hotspot

  • Sun/Oracle JDK和 Open JDKI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GC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

7.4 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 JRockitl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

  • MissionContro1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JDK8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

7.5 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虚拟机之一，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 Eclipse OpenJ9

7.6 KVM和CDC/ CLDC Hotspot

  • Oracle在 Java ME产品线上的两款虚拟机为：CDC/ CLDC Hotspot Implementation VM

  • KVM(Kilobyte)是CLDC-HI早期产品

  • 目前移动领域地位尴尬，智能手机被 Android和iOS二分天下。

  • KVM简单、轻量、高度可移植，面向更低端的设备上还维持自己的一片市场

  • 智能控制器、传感器

  • 老人手机、经济欠发达地区的功能手机

  • 所有的虚拟机的原则：一次编译，到处运行。

7.7 Azul VM

  • 前面三大“高性能Java虚拟机”使用在通用硬件平台上

  • 这里Azul VM和 BEA Liquid VM是与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机

  • 高性能Java虚拟机中的战斗机。

  • Azul VM是Azul Systems公司在 Hotspot基础上进行大量改进，运行于Azul Systems公司的专有硬件Vega系统上的Java虚拟机。

  • 每个Azul VM实例都可以管理至少数十个CPU和数百GB内存的硬件资源，并提供在巨大内存范围内实现可控的GC时间的垃圾收集器、专有硬件优化的线程调度等优秀特性。

  • 2010年，Azul Systems公司开始从硬件转向软件，发布了自己的Zing JVM,可以在通用x86平台上提供接近于Vega系统的特性。

7.8 Liquid VM

  • 高性能Java虚拟机中的战斗机。
  • BEA公司开发的，直接运行在自家 Hypervisor系统上
  • Liquid VM即是现在的 JRockit VE( Virtual Edition),Liquid VM不需要操作系统的支持，或者说它自己本身实现了一个专用操作系统的必要功能，如线程调度、文件系统、网络支持等。
  • 随着 JRockit虚拟机终止开发， Liquid VM.项目也停止了。

7.9 Apache Harmony

  • Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Aapache Harmony
  • 它是IBM和Intel联合开发的开源JVM,受到同样开源的 OPENJDK的压制，Sun坚决不让 Harmony获得JCP认证，最终于2011年退役，IBM转而参与OPENJDK
  • 虽然目前并没有 Apache Harmony被大规模商用的案例，但是它的Java类库代码吸纳进了 Android SDK。

7.10 Microsoft JVM

  • 微软为了在IE3浏览器中支持 Java Applets,开发了 Microsoft JVM
  • 只能在 window平台下运行。但确是当时网windows下性能最好的 Java VM.
  • 1997年，Sun以侵犯商标、不正当竞争罪名指控微软成功，赔了sun很多
    钱。微软在 Windowsxp SP3中抹掉了其VM。现在 windows上安装的jdk 都是Hotspot。

7.11 TaobaoJVM

  • 由AliJVM团队发布。阿里，国内使用Java最强大的公司，覆盖云计算、金融、物流、电商等众多领域，需要解决高并发、高可用、分布式的复合问题。有大量的开源产品。

  • 基于 OPENJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK,简称AJDK。是
    整个阿里Java体系的基石。

  • 基于 OpenJDK Hotspot VM发布的国内第一个优化、深度定制且开源的高性能服务器\版Java虚拟机。

  • 创新的GCIH( GC invisible heap)技术实现了off-heap,即将生命周期较长的Java对象从heap中移到heap之外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。

  • GCIH中的对象还能够在多个Java虚拟机进程中实现共享

  • 使用crc32指令实现 JVM intrinsic降低JNェ的调用开销

  • PMU hardware的 Java profiling too1和诊断协助功能

  • 针对大数据场景的ZenGC

  • taobao vm应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖inte1的cpu,损失了兼容性，但提高了性能

  • 目前己经在淘宝、天猫上线，把Orac1e官方JWM版本全部替换了

7.12 Dalvik VM:

  • 谷歌开发的，应用于 Android系统，并在 Android2.2中提供了JIT,发展迅猛。

  • Dalvik VM只能称作虚拟机，而不能称作“Java虚拟机”，它没有遵循Java虚拟机规范

  • 不能直接执行Java的Class文件

  • 基于寄存器架构，不是jvm的栈架构。

  • 执行的是编译以后的dex(Dalvik Executable)文件。执行效率比较高。

  • 它执行的dex( Dalvik Executable)文件可以通过Class文件转化而来，使用Java语法编写应用程序，可以直接使用大部分的 Java API等。

  • Android5.0使用支持提前编译( Ahead Of Time Compilation,AOT)的ART VM替换Dalvik VM

7.13 其他JVM:

Java Card VM、Squawk VM、JavaInjava、 Maxine VM、
Jikes RVM、IKVM.NET、 Jam VM、Cacao VM、
Sable VM、Kaffe、 Jelatine JVM、 Nano VM、
MRP、Moxie JVM

7.14 Graal VM

  • 2018年4月， Oracle Labs公开了Graal VM,号称"Run Programs Faster Anywhere",勃勃野心。与1995年java的”write once,run anywhere"遥相呼应。
  • Graal VM在 Hotspot VM基础上増强而成的跨语言全栈虚拟机，可以作为“任何语言”的运行平台使用。语言包括：Java、 Scala、 Groovy、Kotlin;C、javascript、Ruby、 Python、R等
  • 支持不同语言中混用对方的接口和对象，支持这些语言使用已经编写好的木地库文件
  • 工作原理是将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式，通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示。Graal VM提供Truffle工具集快速构建面向一种新语言的解释器。在运行时还能进行即时编译优化，获得比原生编译器更优秀的执行效率。
  • 如果说 HotSpot有一天真的被取代，Graal VM希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化。