图解JVM整体结构、执行流程以及2种架构模型,你学会了吗?

本文涉及的产品
交互式建模 PAI-DSW,5000CU*H 3个月
简介: HotSpot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。方法区和堆:多线程共享虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器:每个线程独有一份执行引擎:包含三部分:解释器,及时编译器(后端编译器),垃圾回收器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。

JVM整体结构

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  • HotSpot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
  • 方法区和堆:多线程共享
  • 虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器:每个线程独有一份
  • 执行引擎:包含三部分:解释器,及时编译器(后端编译器),垃圾回收器
  • 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。


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Java 代码执行流程

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只是能生成被 Java 虚拟机所能解释的字节码文件,那么理论上就可以自己设计一套代码了

解释器:保证相应时间,负责解释执行的速度

JIT编译器:负责编译的性能,针对字节码指令,热点代码,放在方法区缓存起来,下次遇见直接变成二进制指令


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

  • 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

  • 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

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
1add eax,3 //使eax寄存器的值加3

字节码反编译

我们编写一个简单的代码,然后查看一下字节码的反编译后的结果

public class StackStruTest {
  public static void main(String[] args) {
    int i = 2 + 3;
  }
}

然后我们找到编译后的 class 文件,使用下列命令进行反编译

javap -v(verbose) StackStruTest.class

得到的文件为:

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_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 2
        line 11: 4
        line 12: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            2       7     1     i   I
            4       5     2     j   I
            8       1     3     k   I

总结

由于跨平台性的设计,Java 的指令都是根据来设计的。

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?

总结:因为已经够用了

  • 跨平台性
  • 指令集小
  • 指令多
  • 执行性能比寄存器差
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