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[大数据]01-JVM与Java体系结构

笔记来源：尚硅谷JVM全套教程，百万播放，全网巅峰（宋红康详解java虚拟机）
笔记来源：黑马程序员JVM完整教程，全网超高评价，全程干货不拖沓

附有一些个人见解，如有错误，请指正！

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。

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。

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、优秀的垃圾回器，以及可靠的即时编译器。

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。

特点

一次编译，到处运行
自动内存管理
自动垃圾回收功能

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

2.JVM、JRE、JDK三者比较：

在这里插入图片描述

JVM: java虚拟机
JRE: 运行基本环境
JDK: 开发环境

3. 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。

4. Java代码执行流程

5. 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。

具体来说：这两种架构之间的区别：

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

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1

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

举例2

public int calc(){
    int a=100;
    int b=200;
    int c=300;
    return (a + b) * c;
}

> javap -c Test.class
...
public int calc();
    Code:
    Stack=2,Locals=4,Args_size=1
       0: bipush        100
       2: istore_1
       3: sipush        200
       6: istore_2
       7: sipush        300
      10: istore_3
      11: iload_1
      12: iload_2
      13: iadd
      14: iload_3
      15: imul
      16: ireturn
}

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，每次执行的指令集小，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。

6. JVM的生命周期

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）来完成的，这个类是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。

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
由于操作系统用现错误而导致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虚拟机的退出情况。

7. 各种JVM

Sun Classic VM

世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时完全被淘汰。

Exact VM

编译器与解释器混合工作模式

HotSpot VM

目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林。
- Sun / Oracle JDK 和 OpenJDK 的默认虚拟机
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
大量的行业基准测试显示，JRockit JVM是世界上最快的JVM。

IBM的J9

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。

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
所有的虚拟机的原则：一次编译，到处运行。

Azul VM

与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机

Liquid VM

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。

Apache Harmony

Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。

Micorsoft JVM

只能在Windows平台下运行。但确是当时Windows下性能最好的Java VM。

Taobao JVM

由AliJVM团队发布。
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

Dalvik VM

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。