JVM解毒之JVM與Java體系結構
你是否也遇到過這些問題?
- 運行線上系統突然卡死，系統無法訪問，甚至直接OOM
- 想解決線上JVM GC問題，但卻無從下手
- 新項目上線，對各種JVM參數設置一臉懵逼，直接默認，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，趁著在家辦公學習下JVM，先列出整體知識點：
Java開發都知道JVM是Java虛擬機，上學時還用過的VM也叫虛擬機，先比較一波。
虛擬機與Java虛擬機
所謂虛擬機(Virtual Machine)，就是一臺虛擬的計算機。它是一款軟件，用來執行一系列虛擬計算機指令。大體上，虛擬機可以分為系統虛擬機和程序虛擬機。
- Visaual Box，VMware就屬于系統虛擬機，它們完全是對物理計算機的仿真，提供了一個可運行完整操作系統的軟件平臺
- 程序虛擬機的典型代表就是Java虛擬機，它專門為執行單個計算機程序而設計，在Java虛擬機中執行的指令我們稱為Java字節碼指令
JVM 是什么
JVM 是 Java Virtual Machine(Java虛擬機)的縮寫，JVM是一種用于計算設備的規范，它是一個虛構的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。
Java虛擬機是二進制字節碼的運行環境，負責裝載字節碼到其內部，解釋/編譯為對應平臺的機器指令執行。每一條Java指令，Java虛擬機規范中都有詳細定義，如怎么取操作數，怎么處理操作數，處理結果放在哪里。
特點
- 一次編譯，到處運次(跨平臺)
- 自動內存管理
- 自動垃圾回收功能
字節碼
我們平時所說的java字節碼，指的是用java語言編寫的字節碼，準確的說任何能在jvm平臺上執行的字節碼格式都是一樣的，所以應該統稱為jvm字節碼。
不同的編譯器可以編譯出相同的字節碼文件，字節碼文件也可以在不同的jvm上運行。
Java虛擬機與Java語言沒有必然的聯系，它只與特定的二進制文件格式——Class文件格式關聯，Class文件中包含了Java虛擬機指令集(或者稱為字節碼、Bytecodes)和符號集，還有一些其他輔助信息。
Java代碼執行過程
JVM的位置
JVM是運行在操作系統之上的，它與硬件沒有直接的交互。
JDK(Java Development Kit) 是 Java 語言的軟件開發工具包(SDK)。JDK 物理存在，是 Java Language、Tools、JRE 和 JVM 的一個集合。
JVM整體結構
JVM的架構模型
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，另外一種指令集架構則是基于寄存器的指令集架構。
兩種架構之間的區別：
- 基于棧式架構的特點設計和實現更簡單，適用于資源受限的系統;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，其執行過程依賴于操作棧。指令集更小，編譯器容易實現;不需要硬件支持，可移植性更好，更好實現跨平臺
- 基于寄存器架構的特點典型的應用是X86的二進制指令集：比如傳統的PC以及Android的Davlik虛擬機;指令集架構則完全依賴硬件，可移植性差;性能優秀和執行更高效;花費更少的指令去完成一項操作;大部分情況下，基于寄存器架構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，而基于棧式架構的指令集卻是以零地址指令為主
由于跨平臺性的設計，Java的指令都是根據棧來設計的。不同平臺CPU架構不同，所以不能設計為基于寄存器的，優點是跨平臺，指令集小，編譯器容易實現，缺點是性能下降，實現同樣的功能需要更多的指令。
分析基于棧式架構的JVM代碼執行過程
進入class文件所在目錄，執行javap -v xx.class反解析(或者通過IDEA插件Jclasslib直接查看)，可以看到當前類對應的code區(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 //冒號前的數字表示程序計數器的數，常量1入棧
- 1: istore_1 //保存到1的操作數棧中,這里的1表示操作數棧的索引位置
- 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 //存儲到索引為3的操作數棧
- 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
虛擬機的啟動
Java虛擬機的啟動是通過引導類加載器(Bootstrap Class Loader)創建一個初始類(initial class)來完成的，這個類是由虛擬機的具體實現指定的。
虛擬機的執行
- 一個運行中的Java虛擬機有著一個清晰的任務：執行Java程序
- 程序開始執行時它才運行，程序結束時它就停止
- 執行一個所謂的Java程序的時候，真正執行的是一個叫做Java虛擬機的進程
- 你在同一臺機器上運行三個程序，就會有三個運行中的Java虛擬機。 Java虛擬機總是開始于一個main()方法，這個方法必須是公有、返回void、只接受一個字符串數組。在程序執行時，你必須給Java虛擬機指明這個包含main()方法的類名。
虛擬機的退出
有以下幾種情況：
- 程序正常執行結束
- 程序在執行過程中遇到了異常或錯誤而異常終止
- 由于操作系統出現錯誤而導致Java虛擬機進程終止
- 某線程調用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)規范描述了用JNI Invocation API來加載或卸載Java虛擬機時，Java虛擬機的退出情況
Java和JVM規范
Java Language and Virtual Machine Specifications
JVM發展歷程
JDK 版本升級不僅僅體現在語言和功能特性上，還包括了其編譯和執行的 Java 虛擬機的升級。
- 1990年，在Sun計算機公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling領導的小組Green Team，開發出的新的程序語言，命名為Oak，后期命名為Java
- 1995年，Sun正式發布Java和HotJava產品，Java首次公開亮相
- 1996 年，JDK 1.0 發布時，提供了純解釋執行的 Java 虛擬機實現：Sun Classic VM。
- 1997 年，JDK 1.1 發布時，虛擬機沒有做變更，依然使用 Sun Classic VM 作為默認的虛擬機
- 1998 年，JDK 1.2 發布時，提供了運行在 Solaris 平臺的 Exact VM 虛擬機，但此時還是用 Sun Classic VM 作為默認的 Java 虛擬機，同時發布了JSP/Servlet、EJB規范，以及將Java分成J2EE、J2SE、J2ME
- 2000 年，JDK1.3 發布，默認的 Java 虛擬機由 Sun Classic VM 改為 Sun HotSopt VM，而 Sun Classic VM 則作為備用虛擬機
- 2002 年，JDK 1.4 發布，Sun Classic VM 退出商用虛擬機舞臺，直接使用 Sun HotSpot VM 作為默認虛擬機一直到現在
- 2003年，Java平臺的Scala正式發布，同年Groovy也加入了Java陣營
- 2004年，JDK1.5發布，同時JDK1.5改名為JDK5.0
- 2006年，JDK6發布，同年，Java開源并建立了OpenJDK。順理成章，Hotspot虛擬機也成為了OpenJDK默認虛擬機
- 2008年，Oracle收購BEA，得到了JRockit虛擬機
- 2010年，Oracle收購了Sun，獲得Java商標和HotSpot虛擬機
- 2011年，JDK7發布，在JDK1.7u4中，正式啟用了新的垃圾回收器G1
- 2014年，JDK8發布，用元空間MetaSpace取代了PermGen
- 2017年，JDK9發布，將G1設置為默認GC，替代CMS
Sun Classic VM
- 世界上第一款商用 Java 虛擬機。1996年隨著Java1.0的發布而發布，JDK1.4時完全被淘汰;
- 這款虛擬機內部只提供解釋器;
- 如果使用JIT編譯器，就需要進行外掛。但是一旦使用了JIT編譯器，JIT就會接管虛擬機的執行系統，解釋器就不再工作，解釋器和編譯器不能配合工作;
- 現在hotspot內置了此虛擬機
Exact VM
- 它的執行系統已經具備了現代高性能虛擬機的雛形：如熱點探測、兩級即時編譯器、編譯器與解析器混合工作模式等;
- 使用準確式內存管理：虛擬機可以知道內存中某個位置的數據具體是什么類型;
- 在商業應用上只存在了很短暫的時間就被更優秀的 HotSpot VM 所取代
Sun HotSpot VM
- 它是 Sun JDK 和 OpenJDK 中所帶的虛擬機，也是目前使用范圍最廣的 Java 虛擬機;
- 繼承了 Sun 之前兩款商用虛擬機的優點(如準確式內存管理)，也使用了許多自己新的技術優勢，如熱點代碼探測技術(通過執行計數器找出最具有編譯價值的代碼，然后通知 JIT 編譯器以方法為單位進行編譯;
- Oracle 公司分別收購了 BEA 和 Sun，并在 JDK8 的時候，整合了 JRokit VM 和 HotSpot VM，如使用了 JRokit 的垃圾回收器與 MissionControl 服務，使用了 HotSpot 的 JIT 編譯器與混合的運行時系統。
BEA JRockit VM
- 專注于服務器端應用，內部不包含解析器實現;
- 號稱是世界上最快的JVM
IBM J9 VM
- 全稱：IBM Technology for Java Virtual Machine，簡稱IT4J，內部代號：J9
- 市場定位于HotSpot接近，服務器端、桌面應用、嵌入式等多用途VM
- 目前是有影響力的三大商用虛擬機之一
虛擬機有很多，此外還有Azul VM、Liquid VM、Apache Harmony、TaobaoJVM、Graal VM等
