JVM背景知识

1、JVM是个跨语言的平台

• 多种语言只要能用各自对应的编译器生成符合Java虚拟机标准的字节码文件，Java虚拟机就能够解释运行对应的编程语言了
• Java虚拟机根本不关心运行在其内部的语言程序到底是何种语言编写的，它只关心“字节码”文件。
• Java不是最强大的语言，但是JVM是最强大的虚拟机

2、多语言混合编程的趋势

• 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。

3、JVM的特点

• 一次编译，到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收功能

4、JVM结构

• 在内存中多个线程共享堆和方法区
• Java栈、本地方法栈、程序计数器每个线程独有一份

执行引擎

• 执行引擎包含解释器、JIT即时编译器、垃圾回收器
• 把java文件夹编译成.class文件的javac之类的编译器叫做编译器前端，JIT编译器叫做编译器后端（提前编译反复执行的热点代码，把编译过的字节码文件再编译为机器指令，而且缓存起来）

5、Java代码执行流程

6、JVM的架构模型

• 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。
• 由于跨平台的特性，Java的指令都是根据栈来设计的，不同平台的CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。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指令
• 基于栈架构的特点：跨平台性、指令集小、指令多；执行性能比寄存器差

7、JVM的生命周期

7.1 虚拟机的启动

Java虛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。

7.2 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

7.3 虚拟机的退出

有如下几种情况：

• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到异常或错误异常终止
• 由于操作系统的错误导致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（本地方法接口）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。

8、JVM发展历程（包含多种虚拟机）

历史迭代

8.1 Sum Classic VM

• 在1996年Java1.0版本的时候由Sun公司推出。是世界上第一款商用虚拟机，JDK1.4时被完全淘汰
• 这款虚拟机内部只提供解释器，不提供JIT即时编译器
• 如果要使用JIT即时编译器需要外部挂载，但是才此虚拟机上解释器与JIT不能共存，当使用JIT时解释器就会停止运行
  • JIT将热点字节码翻译为机器码并缓存加快了程序执行的速度，但是没有解释器相当于要将所有字节码都交由JIT翻译，一方面会带来内存的问题，另一方面会造成刚加载程序时要等待一段较长的时间
• 现在hotsport内置了此虚拟机

8.2 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 Mangement：准确式内存管理
  • 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的工作模式
• 只在Solaris平台短暂使用，其他平台还是classic VM
  • 英雄气短，终将被Hotsport虚拟机所替代

最有影响力的三大商用虚拟机

8.3 SUN公司的 HostSport VM

• JDK1.3时，HotSport VM成为默认虚拟机
• 目前Hotsport占有绝对的市场地位，不管是仍在广泛使用的JDK1.6还是使用比例较多的JDK1.8，默认的虚拟机都是Hotsport
• Sun/Oracle JDK 和 OpenJDK的默认虚拟机
• 名称中的Hotsport指的激素它的热点代码探测技术
  • 通过计数器找到最具有编译价值的代码，出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间取得平衡

8.4 BEA的JRockit

• 专注于服务器端的应用
  • 服务器端和客户端不同无需关注客户体验问题，更在意程序运行时的响应速度，因此JRockit内部不包含解析器的实现，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，客户已经体验到了显著的性能提高（一些超过了70%），以及硬件成本的减少（达50%）
• 优势
  • JRockit面向延迟敏感型应用的解决方案JRockit Real Time提供以毫秒或微妙级的JVM响应实践，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完成。整合方式是在HotSport的基础上，移植JRockit的优秀特性。

8.5 IBM 的 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的各中Java产品
• 目前，最有影响力的三大商用虚拟机之一
• 2017年，IBM发布了开源的J9 VM，命名为openJ9

更高性能，适用于专有系统的虚拟机

8.6 Azul VM

• 这是与特定硬件平台绑定，软硬件配合的专有虚拟机
• Azul VM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。在低延迟方面有优势
• 饿了么使用的就是此虚拟机

8.7 Liquid VM

• 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虚拟机的终止开发，Liquid VM的研发也暂停了

国内

8.8 Taobao JVM

• 由AliJVM团队研发
• 基于OpenJDK开发了自己定制版的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JNI的调用开销
  • PMU hardware 的Java profiling tool 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intel的cpu，损失了兼容性，但提高了性能
  • 目前已经在淘宝、天猫上出现，把Oracle官方JVM版本全部替换了

未来

8.9 Craal VM

• 2018年4月，Oracle Labs公司公布了Graal VM
• Graal VM在HotSpot的基础上增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、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本地库文件
• 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
  丝亳变化。