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JVM结构、架构与生命周期总结

【1】JVM结构

不同厂商的JVM产品 :

厂商JVM
Oracle-SUNHotspot
OracleJRocket
IBMJ9 JVM
阿里Taobao JVM

HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。

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。
在这里插入图片描述
执行引擎包含三部分:解释器,及时编译器,垃圾回收器。

【2】java代码执行流程

在这里插入图片描述

【3】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:

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(8位,寄存器是16位),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。

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。

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):

iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出栈,执行相加
istore_0 // 结果5入栈

而基于寄存器的计算流程

mov eax,2 //将eax寄存器的值设为2
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

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。

【4】JVM生命周期

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。

② 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。
  • 程序开始执行时他才运行,程序结束时他就停止。
  • 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。

③ 虚拟机的退出

有如下的几种情况

  • 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。

【5】三大商用JVM

① HotSpot VM

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

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
  • 因此本课程中默认介绍的虚拟机都是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)
  • 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。

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

② BEA的JRockit

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。

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%)。

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
  • MissionControl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。

2008年,BEA被oracle收购。

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。

③ IBM的J9

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

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。

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(其实只针对于IBM自身的产品)。

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

【6】未来展望Graal VM

2018年4月,oracle Labs公开了GraalvM,号称 “Run Programs Faster Anywhere”,勃勃野心。与1995年java的”write once,run anywhere"遥相呼应。

GraalVM在HotSpot VM基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机,可以作为“任何语言” 的运行平台使用。语言包括:Java、Scala、Groovy、Kotlin;C、C++、Javascript、Ruby、Python、R等。

支持不同语言中混用对方的接口和对象,支持这些语言使用已经编写好的本地库文件。

工作原理是将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式,通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示。Graal VM提供Truffle工具集快速构建面向一种新语言的解释器。在运行时还能进行即时编译优化,获得比原生编译器更优秀的执行效率。

如果说HotSpot有一天真的被取代,Graal vm希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化。

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