标签：Java 虚拟机 VM 编译器 指令 JVM 体系结构
文章目录
1. 虚拟机与Java虚拟机
- 虚拟机
所谓虚拟机（Virtual 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的计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
》 我们常用的Mware,Visual Box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。他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之为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虚拟机提供的资源中。
- Java虚拟机
Java虚拟机时一台执行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。
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 。特点：
- 一次编译，到处运行
- 自动内存管理
- 自动垃圾回收功能
2. JVM的位置
JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。
3. Java的体系结构
4. JVM整体结构
- 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。
执行引擎包含三部分：解释器，即时编译器，垃圾回收器
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。两种架构之间的区别为：
基于栈时架构的特点：
- 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时零地址指令，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：
- 典型的应用时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。
- 花费更少的指令取完成一项操作。
-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，而基于栈式的架构指令集却是以零地址指令为主。
举例： 同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：
基于栈的技术流程（以Java虚拟机为例）：
iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出栈，执行相加
istore_0 // 结果5入栈
而基于寄存器的计算流程：
mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
add eax,3 //使eax寄存器的值加3
字节码反编译
编写一个简单的代码，然后查看一下字节码的反编译后的结果：
public class StackStruTest {
public static void main(String[] args) {
int i = 2 + 3;
}
}
然后找到编译后的 class文件，使用下列命令进行反编译：
javap -v StackStruTest.class
得到的文件为:
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: iconst_2
1: istore_1
2: iconst_3
3: istore_2
4: iload_1
5: iload_2
6: iadd
7: istore_3
8: return
LineNumberTable:
line 9: 0
line 10: 2
line 11: 4
line 12: 8
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 args [Ljava/lang/String;
2 7 1 i I
4 5 2 j I
8 1 3 k I
小结
由于跨平台的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，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的指令。
栈
- 跨平台性
- 指令集小
- 指令多
- 执行性能比寄存器差
7. JVM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，这个类由虚拟机的具体实现指定的。
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。
- 程序开始时它才运行，程序结束时它就停止。
- 执行一个所谓的Java程序的时候，真正执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。
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。
8. JVM发展历程
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。没有即时编译器，因此效率比较低，而即时编译器会把热点代码缓存起来，那么以后使用热点代码的时候，效率就比较高。
- 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。
HotSpot VM
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openJDK的默认虚拟机.
- 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。
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。
- 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，JRockit被oracle收购。
- Oracle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。
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J9VM，命名为openJ9，交给EClipse基金会管理，也称为Eclipse OpenJ9
Azul VM和Liquid 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 VW和BEA的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。
Taobao JVM
由AliJVM团队发布。是基于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版Java虚拟机。
- 创新的GCIH（GCinvisible 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、天猫上线，把oracle官方JvM版本全部替换了。
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。
- Android 5.0使用支持提前编译（Ahead of Time Compilation，AoT）的ART VM替换Dalvik VM。
Graal VM
- 2018年4月，oracle Labs公开了Graal VM，号称 “Run Programs Faster Anywhere”。
- Graal VM在HotSpot VM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。
- 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。
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总结
具体JVM的内存结构，其实取决于其实现，不同厂商的JVM，或者同一厂商发布的不同版本，都有可能存在一定差异。主要以oracle HotSpot VM为默认虚拟机。
标签：Java,虚拟机,VM,编译器,指令,JVM,体系结构 来源： https://blog.csdn.net/RufyHuang/article/details/107429033
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