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[Java知识库]JVM整体知识体系深度学习__JVM与Java体系结构【持续更新】

JVM整体知识体系深度学习

一、JVM与Java体系结构。

前言

是否遇到过一下问题。

运行的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接OOM【OutOfMemory 内存溢出】
JVM GC问题
新项目上线前、JVM参数设置。
JVM面试原理概念性东西不清楚。调优、GC问题等解决方案不了解。

垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作、大大提高了开发的效率。但是垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计高拓展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶的必备能力。

学习参考文章书目：

1、官网文档： The Java Virtual Machine Specification Java SE X Edition

2、深入理解Java虚拟机 (JVM高级特性与最佳实践) 资源地址包含官方文档

1.1、JVM简介

Java Virtual Machine【Java虚拟机】

所谓虚拟机、就是一台虚拟的计算机。他是一款软件。用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上。虚拟机可分为系统虚拟机和程序虚拟机。而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字节码页未必由Java语言编译而成【体现了跨语言性】，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，以及可靠的及时编译器。

【Java技术的核心就是Java虚拟机】因为所有Java程序都运行在Java虚拟机内部。

比较有名的VisualBox、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成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虚拟机提供的资源中。

如果说Java是跨平台的语言、那么JVM就可以说是跨语言的平台。体现如下图。

第01章_JVM跨语言的平台

主流虚拟机：HotSpot 【Oracle】、JRockit 【Oracle】、J9 【IBM】.

1.2、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。

1.3、JVM整体结构

第02章_JVM架构-简图

【简单理解】Class文件通过ClassLoader装载到内存区域进行处理。多线程共享方法区和堆。栈和程序计数器单独运行。程序整体转变为机器指令则是通过执行引擎进行处理。

【复习Java代码执行过程】

1.4、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。

两种架构之间的区别

基于栈式架构的特点
- 避开了寄存器的分配难题:使用零地址指令方式分配。
- 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统;
- 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
基于寄存器的架构特点
- 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
- 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。

//测试代码
package com.max.jvm;

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {

        int i = 1;
        int j = 2;
        int count =i + j;
        System.out.println(count);

    }
}

//基于栈架构模型
//终端执行反编译。 javap -v StackStruTest.class
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_1  //常量1入栈
         1: istore_1	
         2: iconst_2  //常量2入栈	
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd      //常量1、2出栈 执行降价
         7: istore_3  //结果3入栈
         8: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        11: iload_3
        12: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        15: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 4
        line 9: 8
        line 11: 15
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      16     0  args   [Ljava/lang/String;
            2      14     1     i   I
            4      12     2     j   I
            8       8     3 count   I
}

//基于寄存器架构模型

mov eax,2 //讲eax寄存器的值设为1
add eax,3 //将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，指令多、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。

1.5、JVM生命周期

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。

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。

3、虚拟机的退出。

有以下几种情况

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的exit或者halt操作。
除此之外 JNI(Java Native Interface)规范描述了 JNI API来加载或卸载Java虚拟机时、Java虚拟机的推出情况。

1.6、JVM发展历程

1、Sun Classic VM

早在1996年Java1.o版本的时候，Sun公司发布了一款名为sun classicVM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。

【这代还没有兼容解释器和JIT、所以早期给人的印象是比较慢的。当时考虑因为两者不能共同工作那么必定选其一。如果单纯使用外挂JIT的话，那么处理字节码文件前置时间会比较长。根源就在于它把所有信息当成热点代码进行处理了。

两者形象的例子就像：去某个地方。走路去和坐公交去。走路虽然慢、但少了等车的不确定时间。坐公交反之亦然。】

2、Exact VM

为了解决上一个虚拟机问题，jdkl.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-Cconservative/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

3、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的默认虚拟机因此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

4、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【JMC 用于监控内存泄漏】，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。

5、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服务器之一，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 Ecilpse openJ9。

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、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r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。

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) ,LiquidVM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。

9、Apache Harmony

Apache也曾经推出过与JDK 1.5和JDK 1.6兼容的Java运行平台Apache 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。

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。

11、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 (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、天猫上线，把oracle 官方JVM版本全部替换了。

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。
- Android 5.o使用支持提前编译（Ahead of Time compilation，AOT）的 ART VM替换Dalvik VM。