第1章 Java虚拟机概述
- 1.1 虚拟机与Java虚拟机
- 1.2 JVM
- - 1.2.1 JVM的位置
  - 1.2.2 JVM的整体结构
  - 1.2.3 Java代码执行流程
  - 1.2.4 JVM的架构模型
  - 1.2.5 JVM的生命周期
  - - 虚拟机的启动
    - 虚拟机的执行
    - 虚拟机的退出
  - 1.2.6 JVM发展历程
  - - Sun Classic VM
    - Exact VM
    - oracle ：HotSpot VM
    - JRockit--服务端
    - IBM的J9
    - Taobao JVM
    - Graal VM

第1章 Java虚拟机概述

1.1 虚拟机与Java虚拟机

虚拟机：虚拟的计算机，是一款软件来执行一系列计算机指令，可分为系统虚拟机和程序虚拟机
系统虚拟机：Visual BOX, VMware，对物理计算机的仿真，提供可运行完整操作系统的平台
程序虚拟机：JVM, 为执行单个计算机程序而设计，执行的指令为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。

JVM:执行Java字节码的虚拟计算机，Java字节码可以由其他语言编译
跨平台性、优秀的垃圾回收系统、可靠的及时编译器
优点：跨平台性、自动内存管理、自动垃圾回收

1.2 JVM

1.2.1 JVM的位置

Java的体系结构

1.2.2 JVM的整体结构

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
Java程序的运行性能已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步

执行引擎包含三部分：解释器，及时编译器，垃圾回收器

1.2.3 Java代码执行流程

1.2.4 JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流基本是一种基于栈的指令集架构（HotSpot），另一种指令集架构是基于寄存器的指令集架构

栈式架构特点

设计实现更简单，适用于资源受限系统
避开寄存器的分配难题：使用零地址指令
指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖操作栈，指令集更小，编译器易实现
可移植性好
指令多，指令集小

栈顶缓存技术
HotSpot中将栈顶元素全部缓存物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率

寄存器架构特点

典型的是X86的二进制指令集：传统PC（2020年苹果发布ARM架构笔记本）
指令集架构依赖硬件，可移植性差
性能优秀和执行高效
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

举例
同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：

基于栈的计算流程（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

总结
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，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。

1.2.5 JVM的生命周期

虚拟机的启动

通过引导类加载器创建一个初始类来完成，这个类由虚拟机指定

虚拟机的执行

程序开始执行时运行，结束时结束，真正执行的是一个叫Java虚拟机的进程

虚拟机的退出

程序正常执行结束
程序遇到异常或错误导致进程终止
操作系统错误导致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
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

1.2.6 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。现在还有及时编译器，因此效率比较低，而及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。

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维形

热点探测（寻找出热点代码进行缓存）
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

oracle ：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openJDK的默认虚拟机
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

JRockit–服务端

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。

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J9VM，命名为openJ9，交给EClipse基金会管理，也称为Eclipse OpenJ9

OpenJDK -> 是JDK开源了，包括了虚拟机

Taobao JVM

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（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ZenGcV
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。

Graal VM

2018年4月，oracle Labs公开了GraalvM，号称 “Run Programs Faster Anywhere”，勃勃野心。与1995年java的”write once，run anywhere"遥相呼应。

GraalVM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

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，Graalvm希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化。

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