java体系结构和jvm

简介: java体系结构和jvm

一、java发展历史事件

  • 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Java
  • 1995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:HotRockit
  • 2011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。

二、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 Box,Mware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(JVM,Java 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

三、java虚拟机整体结构

四、java代码执行流程

五、高级语言、汇编语言、机器语言关系

六、jvm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(java运行时的)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。

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

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

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 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。


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