# JVM 与 Java 体系结构
你是否也遇到过这些问题？
- 运行线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接OOM
- 想解决线上JVM GC问题，但却无从下手
- 新项目上线，对各种JVM参数设置一脸懵逼，直接默认，然后就JJ了
- 每次面试都要重新背一遍JVM的一些原理概念性东西
这段广告语写的好，趁着在家办公学习下JVM，先列出整体知识点
Java开发都知道JVM是Java虚拟机，上学时还用过的VM也叫虚拟机，先比较一波
### 虚拟机与Java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**。
- Visaual 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
## JVM 是什么
`JVM` 是 `Java Virtual Machine`（**Java虚拟机**)的缩写，`JVM`是一种用于计算设备的**规范**，它是一个**虚构**的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。
Java 虚拟机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，到处运次（跨平台）
- 自动内存管理
- 自动垃圾回收功能
### 字节码
我们平时所说的 java 字节码，指的是用 java 语言编写的字节码，准确的说任何能在 jvm 平台上执行的字节码格式都是一样的，所以应该统称为 **jvm字节码**。
不同的编译器可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的 jvm 上运行。
Java 虚拟机与 Java 语言没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式——Class 文件格式关联，Class 文件中包含了 Java 虚拟机指令集（或者称为字节码、Bytecodes）和符号集，还有一些其他辅助信息。
### Java 代码执行过程
## 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。
`JDK`(Java Development Kit) 是 `Java` 语言的软件开发工具包（`SDK`）。`JDK` 物理存在，是 ` Java Language`、`Tools`、`JRE` 和 `JVM` 的一个集合。
## JVM 整体结构
## 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；
- 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
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。
##### 分析基于栈式架构的JVM代码执行过程
进入 class 文件所在目录，执行`javap -v xx.class`反解析（或者通过IDEA插件`Jclasslib`直接查看），可以看到当前类对应的 code 区（汇编指令）、本地变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等信息。
以上图中的 1+2 为例说明:
```
Classfile /Users/starfish/workspace/myCode/starfish-learning/starfish-learn/target/classes/priv/starfish/jvm/JVM1.class
Last modified 2020-2-7; size 487 bytes
MD5 checksum 1a9653128b55585b2745270d13b17aaf
Compiled from "JVM1.java"
public class priv.starfish.jvm.JVM1
SourceFile: "JVM1.java"
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #3.#22 // java/lang/Object."":()V
#2 = Class #23 // priv/starfish/jvm/JVM1
#3 = Class #24 // java/lang/Object
#4 = Utf8
#5 = Utf8 ()V
#6 = Utf8 Code
#7 = Utf8 LineNumberTable
#8 = Utf8 LocalVariableTable
#9 = Utf8 this
#10 = Utf8 Lpriv/starfish/jvm/JVM1;
#11 = Utf8 main
#12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#13 = Utf8 args
#14 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#15 = Utf8 i
#16 = Utf8 I
#17 = Utf8 j
#18 = Utf8 k
#19 = Utf8 MethodParameters
#20 = Utf8 SourceFile
#21 = Utf8 JVM1.java
#22 = NameAndType #4:#5 // "":()V
#23 = Utf8 priv/starfish/jvm/JVM1
#24 = Utf8 java/lang/Object
{
public priv.starfish.jvm.JVM1();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lpriv/starfish/jvm/JVM1;
public static void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: iconst_1 //冒号前的数字表示程序计数器的数，常量1入栈
1: istore_1 //保存到1的操作数栈中,这里的1表示操作数栈的索引位置
2: iconst_2
3: istore_2
4: iload_1 //加载
5: iload_2
6: iadd //常量出栈，求和
7: istore_3 //存储到索引为3的操作数栈
8: return
LineNumberTable:
line 6: 0
line 7: 2
line 8: 4
line 9: 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
MethodParameters: length = 0x5
01 00 0D 00 00
}
```
## 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
- 程序开始执行时它才运行，程序结束时它就停止
- 执行一个所谓的 Java 程序的时候，真正执行的是一个叫做 Java 虚拟机的进程
- 你在同一台机器上运行三个程序，就会有三个运行中的 Java 虚拟机。 Java 虚拟机总是开始于一个 **main()** 方法，这个方法必须是公有、返回 void、只接受一个字符串数组。在程序执行时，你必须给 Java 虚拟机指明这个包含 main() 方法的类名。
#### 虚拟机的退出
有以下几种情况：
- 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
- 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
## Java 和 JVM 规范
[Java Language and Virtual Machine Specifications](https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html)
## JVM 发展历程
JDK 版本升级不仅仅体现在语言和功能特性上，还包括了其编译和执行的 Java 虚拟机的升级。
- 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，JDK 1.0 发布时，提供了纯解释执行的 Java 虚拟机实现：Sun Classic VM。
- 1997 年，JDK 1.1 发布时，虚拟机没有做变更，依然使用 Sun Classic VM 作为默认的虚拟机
- 1998 年，JDK 1.2 发布时，提供了运行在 Solaris 平台的 Exact VM 虚拟机，但此时还是用 Sun Classic VM 作为默认的 Java 虚拟机，同时发布了JSP/Servlet、EJB规范，以及将Java分成J2EE、J2SE、J2ME
- 2000 年，JDK1.3 发布，默认的 Java 虚拟机由 Sun Classic VM 改为 Sun HotSopt VM，而 Sun Classic VM 则作为备用虚拟机
- 2002 年，JDK 1.4 发布，Sun Classic VM 退出商用虚拟机舞台，直接使用 Sun HotSpot VM 作为默认虚拟机一直到现在
- 2003 年，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 JDK5.0
- 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 默认虚拟机
- 2008 年，Oracle 收购 BEA，得到了 JRockit 虚拟机
- 2010 年，Oracle 收购了 Sun，获得 Java 商标和 HotSpot 虚拟机
- 2011 年，JDK7 发布，在 JDK1.7u4 中，正式启用了新的垃圾回收器 G1
- 2014 年，JDK8 发布，用元空间 MetaSpace 取代了 PermGen
- 2017 年，JDK9 发布，将 G1 设置为默认 GC，替代 CMS
### Sun Classic VM
- 世界上第一款商用 Java 虚拟机。1996年随着Java1.0的发布而发布，JDK1.4时完全被淘汰；
- 这款虚拟机内部只提供解释器；
- 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
- 它的执行系统已经具备了现代高性能虚拟机的雏形：如热点探测、两级即时编译器、编译器与解析器混合工作模式等；
- 使用准确式内存管理：虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型；
- 在商业应用上只存在了很短暂的时间就被更优秀的 HotSpot VM 所取代
### Sun HotSpot VM
- 它是 Sun JDK 和 OpenJDK 中所带的虚拟机，也是目前使用范围最广的 Java 虚拟机；
- 继承了 Sun 之前两款商用虚拟机的优点（如准确式内存管理），也使用了许多自己新的技术优势，如热点代码探测技术（通过执行计数器找出最具有编译价值的代码，然后通知 JIT 编译器以方法为单位进行编译；
- Oracle 公司分别收购了 BEA 和 Sun，并在 JDK8 的时候，整合了 JRokit VM 和 HotSpot VM，如使用了 JRokit 的垃圾回收器与 MissionControl 服务，使用了 HotSpot 的 JIT 编译器与混合的运行时系统。
### BEA JRockit VM
- 专注于服务器端应用，内部不包含解析器实现；
- 号称是世界上最快的JVM
### IBM J9 VM
- 全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9
- 市场定位于HotSpot接近，服务器端、桌面应用、嵌入式等多用途VM
- 目前是有影响力的三大商用虚拟机之一
虚拟机有很多，此外还有Azul VM、Liquid VM、Apache Harmony、TaobaoJVM、Graal VM等
## 参考
《深入理解Java虚拟机》
《尚硅谷JVM》