JVM详解（一）——概述

一、概述

1、前言

　　你是否也遇到过这些问题？
　　（1）运行着的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接OOM！
　　（2）解决线上JVM GC问题，但却无从下手。
　　（3）新项目上线，对各种JVM参数设置一脸茫然，然后gg。
　　（4）每次面试的时候都要被问到这些问题，一脸蒙蔽。
　　大部分Java开发人员，除会在项目中使用到与Java平台相关的各种高精尖技术，对于Java技术的核心Java虚拟机了解甚少。一般而言，都只关注到我们写的应用程序。

　　开发人员如何看待上层框架？
　　一些有一定工作经验的开发人员，打心眼儿里觉得SSM、微服务等上层技术才是重点，基础技术并不重要，这其实是一种本末倒置的"病态"。
　　如果我们把核心类库的API比做数学公式的话，那么Java虚拟机的知识就好比公式的推导过程。

　　计算机系统体系对我们来说越来越远，在不了解底层实现方式的前提下，通过高级语言很容易编写程序代码。但事实上，计算机并不认识高级语言。
　　架构师每天都在思考什么？
　　（1）应该如何让系统更快？
　　（2）如何避免系统出现瓶颈？
　　为什么要学习JVM？
　　（1）中高级程序员必备技能：项目管理、调优的需要。
　　（2）追求极客的精神：垃圾回收算法、JIT、底层原理。

 

　　垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了开发的效率。但是，垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶的必备能力。

2、Java及JVM简介

　　Java是跨平台的语言，而JVM是跨语言的平台。

　　Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一，随着Java以及Java社区的不断壮大，Java也早已不再是简简单单的一门计算机语言了，它更是一个平台、一种文化、一个社区。
　　作为一个平台：Java虚拟机扮演着举足轻重的作用。Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平台的一部分。
　　作为一种文化：Java几乎成为了"开源"的代名词。第三方开源软件和框架，如Spring、Mybatis等。
　　作为一个社区：Java拥有全世界最多的技术拥护者和开源社区支持，有数不清的论坛和资料。从桌面应用软件、嵌入式开发到企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到Java的身影。其应用形式之复杂，参与人数之众多。
　　互联网基于js、人工智能基于python、微服务基于go。

　　Java虚拟机规范，跨语言的平台。
　　随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范，基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。
　　Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言写的，它只关心"字节码"文件。也就是说Java虚拟机有语言无关性，并不会单纯的与Java语言"终身绑定"。只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。
　　Java不是最强大的语言，但是JVM是最强大的虚拟机。

3、Java发展的重大事件

　　最成功的三大商业化虚拟机：JRockIt、HotSpot、J9。

二、JVM

1、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。
　　系统虚拟机：大名鼎鼎的Visual Box，VMware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：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、优秀的垃圾回收器，以及可靠的即时编译器。Java技术的核心就是Java虚拟机，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，降低了内存溢出和内存泄漏的风险。

2、JVM的整体结构

　　JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。JVM所处位置：

　　JVM的整体结构。

　　HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表之一。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。

3、Java代码执行流程

　　Java编译器编译过程中，任何一个节点执行失败就会造成编译失败。虽然各个平台的Java虚拟机内部实现细节不尽相同，但是它们共同执行的字节码内容却是一样的。
　　JVM的主要任务就是负责将字节码装载到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令（即：汇编语言）执行。
　　Java虚拟机使用类加载器装载class文件。类加载完成之后，会进行字节码校验，字节码校验通过之后，JVM解释器会把字节码翻译成机器码（即：汇编语言）交由操作系统执行。
　　但不是所有代码都是解释执行的，JVM对此做了优化，比如，HotSpot虚拟机本身提供了JIT（just in time）。

4、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。两种架构的区别：
　　基于栈的架构特点：
　　（1）设计和实现更简单，适用于资源受限的系统。
　　（2）避开了寄存器的分配难题，使用零地址指令方式分配（只需要入栈出栈即可）。
　　（3）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。
　　（4）不需要硬件支持，可移植性，更好的实现跨平台。
　　基于寄存器架构的特点：
　　（1）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。
　　（2）指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差。
　　（3）性能优秀和执行更高效。
　　（4）花费更少的指令去完成一项操作。
　　（5）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。
　　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HotSpot VM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。

5、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创建一个初始类来完成的，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：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；由于操作系统出现错误而导致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；另外，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。

6、JVM的发展历程

　　略。