• 【JVM】JVM和Java 体系架构

    　　Java是一门可以跨平台的语言，但是Java本身是不可以实现跨平台的，需要JVM实现跨平台。javac编译好后的class文件，在Windows、Linux、Mac等系统上，只要该系统安装对应的Java虚拟机，class文件都可以运行。达到”一次编译，到处运行”的效果。

    一、虚拟机介绍

    1.1、虚拟机概念

    　　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。

    1. 大名鼎鼎的Virtual 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。
    2. 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。
    3. 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。

    1.2、Java 虚拟机

    1. 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。

    2. 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。

    3. 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。

    4. 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：

    1. 一次编译，到处运行
    2. 自动内存管理
    3. 自动垃圾回收功能

    二、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与JVM关系

    　　

    三、Java 的整体结构

    1. HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。

    2. 它采用解释器与即时编译器并存的架构。

    3. 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。

    4. 执行引擎包含三部分：解释器，即时编译器，垃圾回收器

    　　

    四、Java 代码执行流程

    　　凡是能生成被Java虚拟机所能解释、运行的字节码文件，那么理论上我们就可以自己设计一套语言了

    　　

    五、JVM 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：

    5.1、基于栈的指令集架构

    　　基于栈式架构的特点：

    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

    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，更好实现跨平台

    5.2、基于寄存器的指令级架构

    　　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，与硬件的耦合度高，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

    5.3、两种架构的举例

    　　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）： 
      1 iconst_2 //常量2入栈
2 istore_1
3 iconst_3 // 常量3入栈
4 istore_2
5 iload_1
6 iload_2
7 iadd //常量2/3出栈，执行相加
8 istore_0 // 结果5入栈
    • 而基于寄存器的计算流程 
      1 mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
2 add eax,3 //使eax寄存器的值加3

    5.4、如何反编译字节码文件　　

    • 编写 java 代码，编译生成字节码文件，示例
    1 public class StackStruTest {
2     public static void main(String[] args) {
3         int i = 2;
4         int j = 3;
5         int k = i + j;
6     }
7 }

    • 在 .class 文件的同级目录下，执行反编译

      命令：javap -v StackStruTest.class

    • 反编译得到的指令

       1 public static void main(java.lang.String[]);
 2     descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
 3     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
 4     Code:
 5       stack=2, locals=4, args_size=1
 6          0: iconst_2    // 将常量 2 压入栈中
 7          1: istore_1    // 将常量 2 保存至变量 i 中
 8          2: iconst_3    // 将常量 3 压入栈中
 9          3: istore_2    // 将常量 3 保存至变量 j 中
10          4: iload_1        // 加载变量 i
11          5: iload_2        // 加载变量 j
12          6: iadd        // 执行累加操作
13          7: istore_3    // 加法结果保存在变量 k 中
14          8: return
15       LineNumberTable:
16         line 10: 0
17         line 11: 2
18         line 12: 4
19         line 22: 8
20       LocalVariableTable:
21         Start  Length  Slot  Name   Signature
22             0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
23             2       7     1     i   I
24             4       5     2     j   I
25             8       1     3     k   I
26 }

    5.5、JVM 架构总结

    1. 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

    2. 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？

    3. 因为基于栈的架构跨平台性好、指令集小，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构

    六、JVM 生命周期

    6.1、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。

    6.2、虚拟机的执行

    1. 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
    2. 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止
    3. 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

    6.3、虚拟机的退出

    　　有如下的几种情况：

    1. 程序正常执行结束

    2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

    3. 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止

    4. 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。

    5. 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。

    6.4、查看虚拟机进程

    • 趁程序还在运行的时候，赶快使用 jps 指令查看当前正在运行的进程

    6.5、程序退出exit() 方法源码

    　　System 类源码分析

    • System.exit() 方法调用了 Runtime.exit() 方法 
      1 public static void exit(int status) {
2     Runtime.getRuntime().exit(status);
3 }

    　　Runtime 类源码分析 

    • Runtime 对象全局唯一，对应着下图中的【运行时数据区】

    • 明显的饿汉设计模式：一上来就 new 了一个 Runtime 类的实例，并且将 Runtime 类的构造器私有化了 
       1 public class Runtime {
 2     private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
 3 
 4     /**
 5      * Returns the runtime object associated with the current Java application.
 6      * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
 7      * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
 8      *
 9      * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
10      *          Java application.
11      */
12     public static Runtime getRuntime() {
13         return currentRuntime;
14     }
15 
16     /** Don't let anyone else instantiate this class */
17     private Runtime() {}

    • Runtime 类的 exit() 方法调用了 ShutDown 类的 exit() 方法

      1 public void exit(int status) {
2     SecurityManager security = System.getSecurityManager();
3     if (security != null) {
4         security.checkExit(status);
5     }
6     Shutdown.exit(status);
7 }

    　　ShutDown 类源码分析

    • Shutdown 类的 exit() 方法会调用到本地方法 runAllFinalizers() 和 halt0() 
       1 static void exit(int status) {
 2     boolean runMoreFinalizers = false;
 3     synchronized (lock) {
 4         if (status != 0) runFinalizersOnExit = false;
 5         switch (state) {
 6             case RUNNING:       /* Initiate shutdown */
 7                 state = HOOKS;
 8                 break;
 9             case HOOKS:         /* Stall and halt */
10                 break;
11             case FINALIZERS:
12                 if (status != 0) {
13                     /* Halt immediately on nonzero status */
14                     halt(status);
15                 } else {
16                     /* Compatibility with old behavior:
17                      * Run more finalizers and then halt
18                      */
19                     runMoreFinalizers = runFinalizersOnExit;
20                 }
21                 break;
22         }
23     }
24     if (runMoreFinalizers) {
25         runAllFinalizers();
26         halt(status);
27     }
28     synchronized (Shutdown.class) {
29         /* Synchronize on the class object, causing any other thread
30              * that attempts to initiate shutdown to stall indefinitely
31              */
32         sequence();
33         halt(status);
34     }
35 }
      1 static void halt(int status) {
2     synchronized (haltLock) {
3         halt0(status);
4     }
5 }
      1 static native void halt0(int status);
2 
3 /* Wormhole for invoking java.lang.ref.Finalizer.runAllFinalizers */
4 private static native void runAllFinalizers(); 

    　　总结

    1. 调用 System.exit() 方法 --> 调用 Runtime.exit() 方法

    2. 调用 Runtime.exit() 方法 --> 调用了 ShutDown.exit() 方法

    七、JVM 发展历程

    　　这里介绍部分JVM虚拟机

    7.1、HotSpot VM

    1. 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

    2. 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

      • 一般说的虚拟机都是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）

    3. 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。

    4. 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

    7.2、JRockit

    1. 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。

    2. 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%）。

    3. 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

      • Mission Control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。

    4. 2008年，JRockit被Oracle收购。

    5. 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。

    6. 高斯林：目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人

    7.3、IBM的J9

    1. 全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9

    2. 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。

    3. 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。

    4. 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

    5. OpenJDK -> 是JDK开源了，包括了虚拟机

    7.4、Taobao JVM

    1. 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。

    2. 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。

    3. 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（GCinvisible 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

    4. taobao vm应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖inte1的cpu，损失了兼容性，但提高了性能

    5. 目前已经在淘宝、天猫上线，把Oracle官方JvM版本全部替换了。

    文章参考：https://blog.csdn.net/oneby1314/article/details/107850002
  • 相关阅读:
    ASP.NET程序中常用的三十三种代码
    .NET面试题之1
    Assembly ‘X’ could not be uninstalled because it is required by another application
    Globalization and Localization
    SQL 2005 Reporting Services：物理分页和逻辑分页 SSRS 2008 report export to PDF Cannot get size to work
    GAC 学习
    Repeating Tablix Headers In SSRS 2008
    How do work with NULL in TSQL
    Visual C++ Native and .NET Interoperability
    C# WinForm开发系列 Reporting Services
  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/h--d/p/14108774.html
Copyright © 2020-2023  润新知