啟航·JVM概論

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前言

為什么要學習JVM？相信好多開發(fā)者開頭也處于迷惑之中，對于Java虛擬機也是很頭疼，大多開發(fā)者都會認為，學習JVM無非就是面試。然而，學習JVM并不是為了面試，更是為了深入去理解Java這門語言，筆者大學畢業(yè)入坑Java以來也有一年多了，說長也不長，但是在開發(fā)的過程中卻也是遇到一些性能問題，最后也是由領導解決。個人認為，學習Java虛擬機更是一種基礎知識，在開發(fā)中才能夠深入理解一些細節(jié)。

虛擬機和Java虛擬機

1 虛擬機

虛擬機（Virtual Machine）是一種軟件或硬件實體，它模擬了物理計算機的功能，允許在其上運行操作系統(tǒng)和應用程序。虛擬機通常用于隔離不同的計算環(huán)境，提供了一種獨立于物理硬件的計算平臺。

2 Java虛擬機

Java虛擬機（Java Virtual Machine，JVM）是一種軟件虛擬機，特別為執(zhí)行Java程序而設計。JVM是Java平臺的核心組件之一，它負責將Java字節(jié)碼翻譯成可以在特定計算機上運行的本地機器代碼。Java程序員編寫的Java代碼首先被編譯成字節(jié)碼，然后由JVM執(zhí)行。這種方式使Java程序具有跨平臺的特性，因為只需要在不同平臺上實現(xiàn)JVM，就可以在各種操作系統(tǒng)上運行相同的Java程序。

JVM的主要任務包括字節(jié)碼加載、解釋執(zhí)行或即時編譯、垃圾回收、內(nèi)存管理等。它還提供了各種標準庫和API，用于支持Java程序的運行和互動。不同的Java虛擬機實現(xiàn)可以適應不同的硬件和操作系統(tǒng)，但它們都遵循Java虛擬機規(guī)范（Java Virtual Machine Specification），以確保Java程序的跨平臺性。

3 JVM的位置

Java虛擬機試運行在操作系統(tǒng)之上的，和硬件是沒有直接交互的。
在Java 生態(tài)系統(tǒng)中的三個關(guān)鍵組件：JDK（Java Development Kit）、JRE（Java Runtime Environment）和 JVM（Java Virtual Machine）
① JDK（Java Development Kit）

JDK是用于Java應用程序的開發(fā)工具包。它包括Java編譯器（javac）、Java虛擬機（JVM），以及各種開發(fā)工具和庫，如調(diào)試器、性能分析工具、API文檔生成工具等。JDK是開發(fā)人員用于創(chuàng)建、編譯和調(diào)試Java應用程序的關(guān)鍵工具，它使開發(fā)者能夠編寫Java源代碼并將其編譯成Java字節(jié)碼。JDK的結(jié)構(gòu)包括bin目錄，其中包含編譯器和其他命令行工具，以及l(fā)ib目錄，其中包含Java類庫和運行時支持。

② JRE（Java Runtime Environment）

JRE是用于運行Java應用程序的運行時環(huán)境。它包括Java虛擬機（JVM）和Java類庫（Java API），允許用戶執(zhí)行已編譯的Java應用程序，而不需要進行開發(fā)。JRE沒有開發(fā)工具，因此不包含編譯器或其他開發(fā)相關(guān)的工具。JRE的結(jié)構(gòu)包括bin目錄，其中包含用于運行Java應用程序的JVM可執(zhí)行文件，以及l(fā)ib目錄，其中包含Java類庫

三者中，JDK 包含 JRE，而 JRE 包含 JVM。JDK 提供了完整的 Java 開發(fā)和運行時環(huán)境，適用于開發(fā)人員，而 JRE 提供了用于運行 Java 應用程序的環(huán)境，適用于普通用戶或生產(chǎn)環(huán)境。 JVM 是在 JDK 和 JRE 中共享的核心組件，負責執(zhí)行 Java 應用程序。

4 *JVM的整體結(jié)構(gòu)

1) 簡單介紹HotSpot VM

HotSpot VM（HotSpot Virtual Machine）是Oracle（以前是Sun Microsystems）開發(fā)的 Java 虛擬機的一種實現(xiàn)，它是Java平臺上最廣泛使用的虛擬機之一。HotSpot VM在性能和可移植性方面表現(xiàn)出色，它是Java應用程序的運行時引擎，負責將Java字節(jié)碼翻譯成本地機器代碼并執(zhí)行程序。

HotSpot VM是Oracle JDK（Java Development Kit）的一部分，也是許多其他Java發(fā)行版的基礎，包括OpenJDK。由于其卓越的性能和穩(wěn)定性，HotSpot VM一直是廣泛使用的Java虛擬機之一，特別適用于生產(chǎn)環(huán)境和要求高性能的Java應用程序。

2) 整體結(jié)構(gòu)介紹

對于上圖，這里簡單介紹一下
首先是Java類通過編譯成class文件，在用過類加載器加載到內(nèi)存中。

類加載是Java虛擬機（JVM）的一個關(guān)鍵組件，負責將Java字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存中并轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的類。類加載器的主要任務是查找和加載類文件，確保在程序運行時可以訪問所需的類。類加載器的工作使Java的動態(tài)性成為可能，允許在運行時加載和卸載類。

接著看這個第二層，運行時的數(shù)據(jù)區(qū)，這里包含了方法區(qū)、Java棧、本地方法棧、堆、程序計數(shù)器

方法區(qū)是存儲類信息、常量、靜態(tài)變量以及編譯后的字節(jié)碼的地方，包括類的結(jié)構(gòu)信息、方法和字段描述，以及運行時常量池。
堆是Java程序中用于存儲對象實例的區(qū)域。
棧是每個線程獨有的，用于存儲方法調(diào)用、局部變量以及方法返回值。
本地方法棧與棧類似，但它存儲的是Java程序調(diào)用本地方法（使用JNI，Java Native Interface）時的信息。
程序計數(shù)器是當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼指令的位置計數(shù)器。

總結(jié)

方法區(qū)和堆：這兩個是多線程共享的
Java棧、本地方法棧和程序計數(shù)器：這是每個線程都獨有一份

最后看第三層，這一層是和操作系統(tǒng)和硬件交互的重要組件。執(zhí)行引擎，這是Java虛擬機核心組件之一，他是負責執(zhí)行Java字節(jié)碼，將Java字節(jié)碼解釋成底層平臺的機器碼，或者通過即時編譯器（Just-In-Time Compiler，JIT）將字節(jié)碼編譯成本地機器代碼以提高性能。本地方法接口是Java虛擬機提供的機制，允許Java代碼與本地代碼（通常是用C或C++編寫的）進行交互，在Java中就是唄native修飾的接口方法。本地方法庫是包含本地方法的動態(tài)鏈接庫（通常是.so文件或.dll文件），用C或C++編寫。

5 Java代碼執(zhí)行流程

Java代碼的執(zhí)行流程可以分為一下幾個步驟：

• 編寫Java代碼：編寫一個xxx.java的文件。
• 編譯源代碼：使用Java編譯器，將Java源文件編譯成xx.class的字節(jié)碼文件（通常是使用javac）。
• Java虛擬機：在Java虛擬機（JVM）中，其負責加載字節(jié)碼文件并將其轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼。在類加載過程中還有一些操作，類加載、鏈接、初始化等等。
• 執(zhí)行程序：一旦類加載完成并且程序初始化完成，JVM開始執(zhí)行程序。
• 運行時垃圾收集：JVM會定期檢查不再被引用的對象，并進行垃圾回收以釋放內(nèi)存資源
• 程序結(jié)束：程序執(zhí)行完main方法或遇到異常時，程序?qū)⒔Y(jié)束執(zhí)行。

6 JVM的生命周期

Java虛擬機的生命周期簡單來說就是三個階段：啟動、執(zhí)行、退出。JVM的生命周期確保了Java程序的安全加載、初始化和執(zhí)行，以及資源管理和垃圾回收。這一過程是Java跨平臺性的關(guān)鍵，因為它將Java程序從特定硬件平臺解耦，使其能夠在不同操作系統(tǒng)上運行。

虛擬機啟動

Java虛擬機在啟動的時候是通過類加載器創(chuàng)建一個初始類來完成。在這一階段，類加載器加載Java字節(jié)碼文件，并對其進行驗證、準備、解析和初始化等操作，接著鏈接，包括驗證類的正確性、為靜態(tài)變量分配內(nèi)存和解析符號引用。然后初始化，在這個階段，JVM執(zhí)行類的靜態(tài)初始化代碼，初始化靜態(tài)變量。

虛擬機執(zhí)行

JVM進入運行階段，開始執(zhí)行程序，通常從main方法開始。程序在運行過程中可以加載、鏈接、初始化其他類，并執(zhí)行程序邏輯。同時，JVM的垃圾回收器定期檢查不再被引用的對象，進行垃圾回收。這個Java程序在Java虛擬機中就是一個進程。

虛擬機退出

在程序執(zhí)行完成或出現(xiàn)嚴重錯誤時，JVM會進入終止階段，可以執(zhí)行清理操作。最后，如果某個類不再被引用，并且沒有實例存在，JVM可能會進行卸載，釋放內(nèi)存。

7 常見虛擬機

常見的虛擬機，每種的實現(xiàn)通常都是針對不同的需求，比如sun classic vm、exact vm、jrockit、j9等等。以下筆者通過網(wǎng)絡查閱到一些的簡單介紹。

在Java生態(tài)系統(tǒng)中，有幾個常見的Java虛擬機（JVM）實現(xiàn)，每個實現(xiàn)通常針對不同的用例和需求。以下是一些常見的JVM實現(xiàn)：

• Oracle HotSpot JVM：這是Oracle公司的官方JVM實現(xiàn)，廣泛用于生產(chǎn)環(huán)境。它以高性能和優(yōu)化而聞名，是許多企業(yè)應用程序的首選JVM。
• OpenJDK：OpenJDK是Oracle的開放源JVM實現(xiàn)，也是許多其他JVM的基礎。它提供了Java開發(fā)工具和庫，并被許多Linux發(fā)行版采用作為默認JVM。
• IBM J9 JVM：IBM的J9虛擬機是WebSphere應用服務器和其他IBM產(chǎn)品的一部分。它專注于嵌入式和企業(yè)級應用。
• Apache Harmony：雖然已經(jīng)終止，但Apache Harmony曾是一個Apache項目，旨在創(chuàng)建一個免費的、開放源的JVM實現(xiàn)。雖然它不再維護，但它仍然被某些項目和研究用途使用。
• GraalVM：GraalVM是Oracle開發(fā)的一款全棧虛擬機，支持多種語言，包括Java、JavaScript、Python等。它具有高性能和多語言互操作性，適用于各種應用場景。
• Azul Zing：Azul Zing是專門針對大規(guī)模、高性能Java應用程序而設計的JVM。它包括C4垃圾收集器，可顯著降低垃圾回收停頓時間。
• SAP JVM：SAP JVM是針對SAP應用的JVM實現(xiàn)，優(yōu)化了SAP系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

這些JVM實現(xiàn)在性能、垃圾回收策略、支持的平臺和工具等方面存在差異，開發(fā)人員可以根據(jù)其應用程序的需求選擇最適合的JVM?？偟膩碚f，Java虛擬機的多樣性為Java生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展提供了重要的選擇。

總結(jié)

本章就是學習一下Java虛擬機的概念，為了對Java虛擬機有個簡單的認識?？傊覀冎赖腏VM有許多，但是我們經(jīng)常遇到的就是 Oracle HotSpot JVM ，Java虛擬機的主要任務包括字節(jié)碼加載、解釋執(zhí)行或即時編譯、垃圾回收、內(nèi)存管理等。它還提供了各種標準庫和API，用于支持Java程序的運行和互動。不同的Java虛擬機實現(xiàn)可以適應不同的硬件和操作系統(tǒng)。