昆明城乡和住房建设局网站,华夏网站建设,电子商务的网站建设的可用性,下载网页图片文章目录 1.1. 前言#x1f349;1.2. 参考书目#x1f349;1.3. Java及JVM简介#x1f349;1.4. Java发展的重大事件#x1f349;1.5. 虚拟机与Java虚拟机#x1f349;1.6. JVM的整体结构#x1f349;1.7. Java代码执行流程#x1f349;1.8. JVM的架构模型#x1f349;… 文章目录 1.1. 前言1.2. 参考书目1.3. Java及JVM简介1.4. Java发展的重大事件1.5. 虚拟机与Java虚拟机1.6. JVM的整体结构1.7. Java代码执行流程1.8. JVM的架构模型1.9. JVM的生命周期X. JVM的发展历程Sun Classic VMExact VMHotSpot VMJRockitIBM的J9KVM和CDC / CLDC HotspotAzul VMLiquid VMApache HarmonyMicorsoft JVMTaobao JVMDalvik VMGraal VM 总结 1.1. 前言
大部分Java开发人员对于Java技术的核心Java虚拟机了解甚少。
开发人员如何看待上层框架一些有一定工作经验的开发人员打心眼儿里觉得SSM、微服务等上层技术才是重点基础技术并不重要这其实是一种本末倒置的“病态”。如果我们把核心类库的 API 比做数学公式的话那么Java虚拟机的知识就好比公式的推导过程。 计算机系统体系对我们来说越来越远在不了解底层实现方式的前提下通过高级语言很容易编写程序代码。但事实上计算机并不认识高级语言
Java vs C
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、工作机制是设计高扩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。 1.2. 参考书目 1.3. Java及JVM简介
世界上没有最好的编程语言只有最适用于具体应用场景的编程语言
JVM跨语言的平台Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java以及Java社区的不断壮大Java 也早已不再是简简单单的一门计算机语言了它更是一个平台、一种文化、一个社区。
作为一个平台Java虚拟机扮演着举足轻重的作用 Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平台的一部分 作为灯种文化Java几乎成为了“开源”的代名词。 第三方开源软件和框架。如Tomcat、StrutsMyBatisSpring等。就连JDK和JVM自身也有不少开源的实现如openJDK、Harmony。 作为一个社区Java拥有全世界最多的技术拥护者和开源社区支持有数不清的论坛和资料。从桌面应用软件、嵌入式开发到企业级应用、后台服务器、中间件都可以看到Java的身影。其应用形式之复杂、参与人数之众多也令人咋舌。 每个语言都需要转换成字节码文件最后转换的字节码文件都能通过Java虚拟机进行运行和处理 随着Java7的正式发布Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的它只关心“字节码”文件。也就是说Java虚拟机拥有语言无关性并不会单纯地与Java语言“终身绑定”只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息它就是一个有效的字节码文件就能够被虚拟机所识别并装载运行。
字节码
我们平时说的java字节码指的是用java语言编译成的字节码。准确的说任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为jvm字节码。不同的编译器可以编译出相同的字节码文件字节码文件也可以在不同的JVM上运行。Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系它只与特定的二进制文件格式—Class文件格式所关联Class文件中包含了Java虚拟机指令集或者称为字节码、Bytecodes和符号表还有一些其他辅助信息。
多语言混合编程
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。试想一下在一个项目之中并行处理用Clojure语言编写展示层使用JRuby/Rails中间层则是Java每个应用层都将使用不同的编程语言来完成而且接口对每一层的开发者都是透明的各种语言之间的交互不存在任何困难就像使用自己语言的原生API一样方便因为它们最终都运行在一个虚拟机之上。对这些运行于Java虚拟机之上、Java之外的语言来自系统级的、底层的支持正在迅速增强以JSR-292为核心的一系列项目和功能改进如Da Vinci Machine项目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等推动Java虚拟机从“Java语言的虚拟机”向 “多语言虚拟机”的方向发展。
如何真正搞懂JVM
Java虚拟机非常复杂要想真正理解它的工作原理最好的方式就是自己动手编写一个
自己动手写一个Java虚拟机难吗
天下事有难易乎
为之则难者亦易矣不为则易者亦难矣 1.4. Java发展的重大事件
1990年在Sun计算机公司中由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team开发出的新的程序语言命名为oak后期命名为Java1995年Sun正式发布Java和HotJava产品Java首次公开亮相。1996年1月23日Sun Microsystems发布了JDK 1.0。1998年JDK1.2版本发布。同时sun发布了JSP/Servlet、EJB规范以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。2000年JDK1.3发布Java HotSpot Virtual Machine正式发布成为Java的默认虚拟机。2002年JDK1.4发布古老的Classic虚拟机退出历史舞台。2003年年底Java平台的Scala正式发布同年Groovy也加入了Java阵营。2004年JDK1.5发布。同时JDK1.5改名为JavaSE5.0。2006年JDK6发布。同年Java开源并建立了OpenJDK。顺理成章Hotspot虚拟机也成为了openJDK中的默认虚拟机。2007年Java平台迎来了新伙伴Clojure。2008年Oracle收购了BEA得到了JRockit虚拟机。2009年Twitter宣布把后台大部分程序从Ruby迁移到Scala这是Java平台的又一次大规模应用。2010年Oracle收购了Sun获得Java商标和最真价值的HotSpot虚拟机。此时Oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机HotSpot和JRockit并计划在未来对它们进行整合HotRockit2011年JDK7发布。在JDK1.7u4中正式启用了新的垃圾回收器G1。2017年JDK9发布。将G1设置为默认Gc替代CMS同年IBM的J9开源形成了现在的Open J9社区2018年Android的Java侵权案判决Google赔偿Oracle计88亿美元同年Oracle宣告JavaEE成为历史名词JDBC、JMS、Servlet赠予Eclipse基金会同年JDK11发布LTS版本的JDK发布革命性的ZGC调整JDK授权许可2019年JDK12发布加入RedHat领导开发的shenandoah GC
在JDK11之前OracleJDK中还会存在一些OpenJDK中没有的、闭源的功能。但在JDK11中我们可以认为OpenJDK和OracleJDK代码实质上已经完全一致的程度。
不过主流的 JDK 8 在2019年01月之后就被宣布停止更新了。另外 JDK 11 及以后的版本也不再提供免费的长期支持LTS而且 JDK 15 和 JDK 16 也不是一个长期支持的版本最新的 JDK 15 只支持 6 个月时间到 2021 年 3 月所以千万不要把 JDK 15 等非长期支持版本用在生产。 1.5. 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。
大名鼎鼎的Visual BoxMware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。
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。Java技术的核心就是Java虚拟机JVMJava Virtual Machine因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。
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 1.6. 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。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。 1.7. Java代码执行流程 1.8. 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23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 a100;int b200;int c300;return (a b) * c;
}javap -c Test.class
...
public int calc();Code:Stack2,Locals4,Args_size10: bipush 1002: istore_13: sipush 2006: istore_27: sipush 30010: istore_311: iload_112: iload_213: iadd14: iload_315: imul16: 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。
时至今日尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢 1.9. 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JNIJava 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。 X. JVM的发展历程 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 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HotSpotSun / Oracle JDK 和 OpenJDK 的默认虚拟机因此本课程中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
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。高斯林目前就职于谷歌研究人工智能和水下机器人 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 KVM和CDC / CLDC Hotspot
Oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为CDC/CLDC HotSpot Implementation VMKVMKilobyte是CLDC-HI早期产品目前移动领域地位尴尬智能机被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。 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 VW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AzulSystems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。 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 VEVirtual EditionLiquid 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虚拟机终止开发Liquid vM项目也停止了。 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。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。 Micorsoft JVM
微软为了在IE3浏览器中支持Java Applets开发了Microsoft JVM。只能在Windows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WindowsXP SP3中抹掉了其VM。现在Windows上安装的jdk都是HotSpot。 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GCIHGC 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。 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dexDalvik Executable文件。执行效率比较高。 它执行的dexDalvik 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 5.0使用支持提前编译Ahead of Time CompilationAoT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”野心勃勃。与1995年java的”write oncerun anywhere遥相呼应。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、KotlinC、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的软件生态没有丝毫变化。 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。
