JVM解毒之JVM與Java體系結(jié)構(gòu)
你是否也遇到過這些問題?
- 運(yùn)行線上系統(tǒng)突然卡死，系統(tǒng)無法訪問，甚至直接OOM
- 想解決線上JVM GC問題，但卻無從下手
- 新項(xiàng)目上線，對(duì)各種JVM參數(shù)設(shè)置一臉懵逼，直接默認(rèn)，然后就JJ了
- 每次面試都要重新背一遍JVM的一些原理概念性東西
這段廣告語寫的好，趁著在家辦公學(xué)習(xí)下JVM，先列出整體知識(shí)點(diǎn)：
Java開發(fā)都知道JVM是Java虛擬機(jī)，上學(xué)時(shí)還用過的VM也叫虛擬機(jī)，先比較一波。
虛擬機(jī)與Java虛擬機(jī)
所謂虛擬機(jī)(Virtual Machine)，就是一臺(tái)虛擬的計(jì)算機(jī)。它是一款軟件，用來執(zhí)行一系列虛擬計(jì)算機(jī)指令。大體上，虛擬機(jī)可以分為系統(tǒng)虛擬機(jī)和程序虛擬機(jī)。
- Visaual Box，VMware就屬于系統(tǒng)虛擬機(jī)，它們完全是對(duì)物理計(jì)算機(jī)的仿真，提供了一個(gè)可運(yùn)行完整操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)
- 程序虛擬機(jī)的典型代表就是Java虛擬機(jī)，它專門為執(zhí)行單個(gè)計(jì)算機(jī)程序而設(shè)計(jì)，在Java虛擬機(jī)中執(zhí)行的指令我們稱為Java字節(jié)碼指令
JVM 是什么
JVM 是 Java Virtual Machine(Java虛擬機(jī))的縮寫，JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)的計(jì)算機(jī)，是通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。
Java虛擬機(jī)是二進(jìn)制字節(jié)碼的運(yùn)行環(huán)境，負(fù)責(zé)裝載字節(jié)碼到其內(nèi)部，解釋/編譯為對(duì)應(yīng)平臺(tái)的機(jī)器指令執(zhí)行。每一條Java指令，Java虛擬機(jī)規(guī)范中都有詳細(xì)定義，如怎么取操作數(shù)，怎么處理操作數(shù)，處理結(jié)果放在哪里。
特點(diǎn)
- 一次編譯，到處運(yùn)次(跨平臺(tái))
- 自動(dòng)內(nèi)存管理
- 自動(dòng)垃圾回收功能
字節(jié)碼
我們平時(shí)所說的java字節(jié)碼，指的是用java語言編寫的字節(jié)碼，準(zhǔn)確的說任何能在jvm平臺(tái)上執(zhí)行的字節(jié)碼格式都是一樣的，所以應(yīng)該統(tǒng)稱為jvm字節(jié)碼。
不同的編譯器可以編譯出相同的字節(jié)碼文件，字節(jié)碼文件也可以在不同的jvm上運(yùn)行。
Java虛擬機(jī)與Java語言沒有必然的聯(lián)系，它只與特定的二進(jìn)制文件格式——Class文件格式關(guān)聯(lián)，Class文件中包含了Java虛擬機(jī)指令集(或者稱為字節(jié)碼、Bytecodes)和符號(hào)集，還有一些其他輔助信息。
Java代碼執(zhí)行過程
JVM的位置
JVM是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒有直接的交互。
JDK(Java Development Kit) 是 Java 語言的軟件開發(fā)工具包(SDK)。JDK 物理存在，是 Java Language、Tools、JRE 和 JVM 的一個(gè)集合。
JVM整體結(jié)構(gòu)
JVM的架構(gòu)模型
Java編譯器輸入的指令流基本上是一種基于棧的指令集架構(gòu)，另外一種指令集架構(gòu)則是基于寄存器的指令集架構(gòu)。
兩種架構(gòu)之間的區(qū)別：
- 基于棧式架構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更簡單，適用于資源受限的系統(tǒng);避開了寄存器的分配難題，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，其執(zhí)行過程依賴于操作棧。指令集更小，編譯器容易實(shí)現(xiàn);不需要硬件支持，可移植性更好，更好實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)
- 基于寄存器架構(gòu)的特點(diǎn)典型的應(yīng)用是X86的二進(jìn)制指令集：比如傳統(tǒng)的PC以及Android的Davlik虛擬機(jī);指令集架構(gòu)則完全依賴硬件，可移植性差;性能優(yōu)秀和執(zhí)行更高效;花費(fèi)更少的指令去完成一項(xiàng)操作;大部分情況下，基于寄存器架構(gòu)的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令為主，而基于棧式架構(gòu)的指令集卻是以零地址指令為主
由于跨平臺(tái)性的設(shè)計(jì)，Java的指令都是根據(jù)棧來設(shè)計(jì)的。不同平臺(tái)CPU架構(gòu)不同，所以不能設(shè)計(jì)為基于寄存器的，優(yōu)點(diǎn)是跨平臺(tái)，指令集小，編譯器容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是性能下降，實(shí)現(xiàn)同樣的功能需要更多的指令。
分析基于棧式架構(gòu)的JVM代碼執(zhí)行過程
進(jìn)入class文件所在目錄，執(zhí)行javap -v xx.class反解析(或者通過IDEA插件Jclasslib直接查看)，可以看到當(dāng)前類對(duì)應(yīng)的code區(qū)(匯編指令)、本地變量表、異常表和代碼行偏移量映射表、常量池等信息。
以上圖中的 1+2 為例說明:
- 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."<init>":()V
- #2 = Class #23 // priv/starfish/jvm/JVM1
- #3 = Class #24 // java/lang/Object
- #4 = Utf8 <init>
- #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 // "<init>":()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."<init>":()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 //冒號(hào)前的數(shù)字表示程序計(jì)數(shù)器的數(shù)，常量1入棧
- 1: istore_1 //保存到1的操作數(shù)棧中,這里的1表示操作數(shù)棧的索引位置
- 2: iconst_2
- 3: istore_2
- 4: iload_1 //加載
- 5: iload_2
- 6: iadd //常量出棧，求和
- 7: istore_3 //存儲(chǔ)到索引為3的操作數(shù)棧
- 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
虛擬機(jī)的啟動(dòng)
Java虛擬機(jī)的啟動(dòng)是通過引導(dǎo)類加載器(Bootstrap Class Loader)創(chuàng)建一個(gè)初始類(initial class)來完成的，這個(gè)類是由虛擬機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)指定的。
虛擬機(jī)的執(zhí)行
- 一個(gè)運(yùn)行中的Java虛擬機(jī)有著一個(gè)清晰的任務(wù)：執(zhí)行Java程序
- 程序開始執(zhí)行時(shí)它才運(yùn)行，程序結(jié)束時(shí)它就停止
- 執(zhí)行一個(gè)所謂的Java程序的時(shí)候，真正執(zhí)行的是一個(gè)叫做Java虛擬機(jī)的進(jìn)程
- 你在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行三個(gè)程序，就會(huì)有三個(gè)運(yùn)行中的Java虛擬機(jī)。 Java虛擬機(jī)總是開始于一個(gè)main()方法，這個(gè)方法必須是公有、返回void、只接受一個(gè)字符串?dāng)?shù)組。在程序執(zhí)行時(shí)，你必須給Java虛擬機(jī)指明這個(gè)包含main()方法的類名。
虛擬機(jī)的退出
有以下幾種情況：
- 程序正常執(zhí)行結(jié)束
- 程序在執(zhí)行過程中遇到了異常或錯(cuò)誤而異常終止
- 由于操作系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤而導(dǎo)致Java虛擬機(jī)進(jìn)程終止
- 某線程調(diào)用Runtime類或System類的exit方法，或Runtime類的halt方法，并且Java安全管理器也允許這次exit或halt操作
- 除此之外，JNI(Java Native Interface)規(guī)范描述了用JNI Invocation API來加載或卸載Java虛擬機(jī)時(shí)，Java虛擬機(jī)的退出情況
Java和JVM規(guī)范
Java Language and Virtual Machine Specifications
JVM發(fā)展歷程
JDK 版本升級(jí)不僅僅體現(xiàn)在語言和功能特性上，還包括了其編譯和執(zhí)行的 Java 虛擬機(jī)的升級(jí)。
- 1990年，在Sun計(jì)算機(jī)公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling領(lǐng)導(dǎo)的小組Green Team，開發(fā)出的新的程序語言，命名為Oak，后期命名為Java
- 1995年，Sun正式發(fā)布Java和HotJava產(chǎn)品，Java首次公開亮相
- 1996 年，JDK 1.0 發(fā)布時(shí)，提供了純解釋執(zhí)行的 Java 虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)：Sun Classic VM。
- 1997 年，JDK 1.1 發(fā)布時(shí)，虛擬機(jī)沒有做變更，依然使用 Sun Classic VM 作為默認(rèn)的虛擬機(jī)
- 1998 年，JDK 1.2 發(fā)布時(shí)，提供了運(yùn)行在 Solaris 平臺(tái)的 Exact VM 虛擬機(jī)，但此時(shí)還是用 Sun Classic VM 作為默認(rèn)的 Java 虛擬機(jī)，同時(shí)發(fā)布了JSP/Servlet、EJB規(guī)范，以及將Java分成J2EE、J2SE、J2ME
- 2000 年，JDK1.3 發(fā)布，默認(rèn)的 Java 虛擬機(jī)由 Sun Classic VM 改為 Sun HotSopt VM，而 Sun Classic VM 則作為備用虛擬機(jī)
- 2002 年，JDK 1.4 發(fā)布，Sun Classic VM 退出商用虛擬機(jī)舞臺(tái)，直接使用 Sun HotSpot VM 作為默認(rèn)虛擬機(jī)一直到現(xiàn)在
- 2003年，Java平臺(tái)的Scala正式發(fā)布，同年Groovy也加入了Java陣營
- 2004年，JDK1.5發(fā)布，同時(shí)JDK1.5改名為JDK5.0
- 2006年，JDK6發(fā)布，同年，Java開源并建立了OpenJDK。順理成章，Hotspot虛擬機(jī)也成為了OpenJDK默認(rèn)虛擬機(jī)
- 2008年，Oracle收購BEA，得到了JRockit虛擬機(jī)
- 2010年，Oracle收購了Sun，獲得Java商標(biāo)和HotSpot虛擬機(jī)
- 2011年，JDK7發(fā)布，在JDK1.7u4中，正式啟用了新的垃圾回收器G1
- 2014年，JDK8發(fā)布，用元空間MetaSpace取代了PermGen
- 2017年，JDK9發(fā)布，將G1設(shè)置為默認(rèn)GC，替代CMS
Sun Classic VM
- 世界上第一款商用 Java 虛擬機(jī)。1996年隨著Java1.0的發(fā)布而發(fā)布，JDK1.4時(shí)完全被淘汰;
- 這款虛擬機(jī)內(nèi)部只提供解釋器;
- 如果使用JIT編譯器，就需要進(jìn)行外掛。但是一旦使用了JIT編譯器，JIT就會(huì)接管虛擬機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)，解釋器就不再工作，解釋器和編譯器不能配合工作;
- 現(xiàn)在hotspot內(nèi)置了此虛擬機(jī)
Exact VM
- 它的執(zhí)行系統(tǒng)已經(jīng)具備了現(xiàn)代高性能虛擬機(jī)的雛形：如熱點(diǎn)探測、兩級(jí)即時(shí)編譯器、編譯器與解析器混合工作模式等;
- 使用準(zhǔn)確式內(nèi)存管理：虛擬機(jī)可以知道內(nèi)存中某個(gè)位置的數(shù)據(jù)具體是什么類型;
- 在商業(yè)應(yīng)用上只存在了很短暫的時(shí)間就被更優(yōu)秀的 HotSpot VM 所取代
Sun HotSpot VM
- 它是 Sun JDK 和 OpenJDK 中所帶的虛擬機(jī)，也是目前使用范圍最廣的 Java 虛擬機(jī);
- 繼承了 Sun 之前兩款商用虛擬機(jī)的優(yōu)點(diǎn)(如準(zhǔn)確式內(nèi)存管理)，也使用了許多自己新的技術(shù)優(yōu)勢，如熱點(diǎn)代碼探測技術(shù)(通過執(zhí)行計(jì)數(shù)器找出最具有編譯價(jià)值的代碼，然后通知 JIT 編譯器以方法為單位進(jìn)行編譯;
- Oracle 公司分別收購了 BEA 和 Sun，并在 JDK8 的時(shí)候，整合了 JRokit VM 和 HotSpot VM，如使用了 JRokit 的垃圾回收器與 MissionControl 服務(wù)，使用了 HotSpot 的 JIT 編譯器與混合的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)。
BEA JRockit VM
- 專注于服務(wù)器端應(yīng)用，內(nèi)部不包含解析器實(shí)現(xiàn);
- 號(hào)稱是世界上最快的JVM
IBM J9 VM
- 全稱：IBM Technology for Java Virtual Machine，簡稱IT4J，內(nèi)部代號(hào)：J9
- 市場定位于HotSpot接近，服務(wù)器端、桌面應(yīng)用、嵌入式等多用途VM
- 目前是有影響力的三大商用虛擬機(jī)之一
虛擬機(jī)有很多，此外還有Azul VM、Liquid VM、Apache Harmony、TaobaoJVM、Graal VM等
