01-JVM与Java体系结构（二）

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?

栈：跨平台性、指令集小、指令多；执行性能比寄存器差

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
• 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。

10-JVM发展历程

Sun Classic VM

1. 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。
2. 这款虚拟机内部只提供解释器，没有即时编译器，因此效率比较低。【即时编译器会把热点代码的本地机器指令缓存起来，那么以后使用热点代码的时候，效率就比较高】
3. 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。

• 我们将字节码指令翻译成机器指令也是需要花时间的，如果只使用JIT，就需要把所有字节码指令都翻译成机器指令，就会导致翻译时间过长，也就是说在程序刚启动的时候，等待时间会很长。
• 而解释器就是走到哪，解释到哪。

4. 现在Hotspot内置了此虚拟机。

Exact VM

1. 为了解决上一个虚拟机问题，jdk1.2时，Sun提供了此虚拟机。
2. 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。

3. 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

4. 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（重点）

1. 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

2. 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）

3. 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。
4. 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（商用三大虚拟机之一）

1. 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。
2. 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%）。
3. 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
• Mission Control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。

4. 2008年，JRockit被Oracle收购。
5. 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。
6. 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（商用三大虚拟机之一）

1. 全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9
2. 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。
3. 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。
4. 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
5. OpenJDK -> 是JDK开源了，包括了虚拟机

KVM和CDC/CLDC Hotspot

1. Oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为：CDC/CLDC HotSpot Implementation VM
2. KVM（Kilobyte）是CLDC-HI早期产品
3. 目前移动领域地位尴尬，智能机被Android和iOS二分天下。
4. 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

5. 所有的虚拟机的原则：一次编译，到处运行。

Azul VM

1. 前面三大“高性能Java虚拟机”使用在通用硬件平台上
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

Liquid VM

1. 高性能Java虚拟机中的战斗机。
2. BEA公司开发的，直接运行在自家Hypervisor系统上
3. 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。
4. 随着JRockit虚拟机终止开发，Liquid vM项目也停止了。

Apache Marmony

1. Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。
2. 它是IElf和Intel联合开发的开源JVM，受到同样开源的Open JDK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
3. 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

1. 微软为了在IE3浏览器中支持Java Applets，开发了Microsoft JVM。
2. 只能在window平台下运行。但确是当时Windows下性能最好的Java VM。
3. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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ZenGC

4. taobao vm应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖inte1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

1. 谷歌开发的，应用于Android系统，并在Android2.2中提供了JIT，发展迅猛。
2. 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
3. 不能直接执行Java的Class文件
4. 基于寄存器架构，不是jvm的栈架构。
5. 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。

6. 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（未来虚拟机）

1. 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。
2. 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
3. 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
4. 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。
5. 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。

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。