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 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，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，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。
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。(现在的JVM还有及时编译器，因此当时的虚拟机效率比较低. 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。
由图可知:使用解释器和JIT任意一个都可将字节码转为机器码.所以最初的虚拟机只有解释器,但是它的工作流程是逐行解释字节码的,对于重复性较强的代码(比如for循环等)亦是如此,即每次都执行一遍. 导致效率极低.
JIT即时编译器:在程序执行过程中如果发现一些代码被反复执行,就将其确定为热点代码.然后就会将这些热点代码解释成机器指令后缓存起来,等下次执行到热点代码时,直接从缓存中取,无需重新解释执行.可以提高程序执行效率.
那为啥不直接用JIT代替解释器呢?
因为JIT将代码编译成本地机器码也是需要时间的,如果全部都缓存,会导致程序刚开始时暂停时间过长.之后效率才会逐渐提高. 现在是混合模式，先cllient(解释)模式，再server(JIT)模式
**一句话:**JIT理解为去思考到底怎么去才快，是步行还是做车还是坐飞机，这个思考阶段才算是JIT慢的原因.而不是像解释器那样一开始就做车.
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 HotSpot
Sun / 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(解释器做的最好)与最佳执行性能(编译器做的最好)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 VM
KVM（Kilobyte）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 VE（Virtual Edition），Liquid 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 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。
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 5.0 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”，野心勃勃。与 1995 年 java 的”write once，run 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、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，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。
