JVM与Java体系结构

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。

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。

Java代码执行流程

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？

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。

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 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。