JVM 基本组成

1.为什么要学习JVM？

• 未来在工作场景中，也许你会遇到以下场景：
• 线上系统突然宕机，系统无法访问，甚至直接OOM；
• 线上系统响应速度太慢，优化系统性能过程中发现CPU占用过高，原因也许是因为JVM的 GC次数过于频繁；
• 新项目上线，需要设置JVM的各种参数；

2.JDK\JRE\JVM

• JDK：全称“Java Development Kit”Java开发工具包，提供javac编译器、jheap、jconsole等监控工具；
• JRE：全称“Java Runtime Environment”Java运行环境，提供Class Library 核心类库 + JVM；
• JVM：全称“Java Virtual Machine”Java虚拟机，用于运行Java应用程序；

3.Java程序执行过程

1.编译：通过javac命令，调用JDK编译器，将*.java源文件编译成*.class字节码文件。

2.执行：通过java命令，调用JVM虚拟机，执行*.class字节码文件

4.Java程序的跨平台

计算机平台是什么？

我们通常把CPU处理器与操作系统构成的系统架构，称为计算机平台。

现代的电子计算机是基于二进制设计实现，所以CPU仅能识别0与1这样的二进制信号。而计算机程序的本质就是0与1之间的不同组合产生的机器指令，交给CPU去执行。CPU为了能识别执行机器指令，就需要不同CPU架构和指令集来支持。不同的厂商，设计生产的CPU，CPU架构和指令集也是不同的。

常见的指令集主要分为：精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。

• • 复杂指令集（CISC）：X86和X64两种CPU架构基于CISC复杂指令集，比如：Intel、AMD等厂商的CPU。
  • 精简指令集（RISC）：ARM架构的CPU基于RISC精简指令集，比如：Compaq的Alpha、HP的PA-RISC、IBM的Power PC、Apple的M1。

在底层硬件及指令集之上，需要搭载不同的操作系统，用于支持不同的CPU指令集。例如：早期的MacOS操作系统只支持Power系列的CPU。最新的MacOS系统只能安装在M1芯片的CPU。

Java是一种跨平台的编程语言，主要是为了让相同的Java应用程序代码，不用做任何修改，可以在不同计算机系统平台上正常运行，兼容各种主流操作系统+CPU指令集。

跨平台的原因

实现跨平台的原因，主要有两个

1不同的平台，相同的源代码，编译的字节码是相同的，所以字节码文件可以在不同平台“通用”；

2不同的平台，执行字节码时，都需要各自的JVM虚拟机版本，用于将字节码翻译成当前平台可以执行的机器码指令

5.静态编译器

通过JDK提供的静态编译器，将Java源文件编译成字节码文件。

编译过程包括：

1词法分析：通过空格分隔出源代码中的单词、操作符、控制符等信息，将其形成token信息流，传递给语法解析器。

2语法分析：将token信息流按照Java语法规则，组装成一颗语法树

3语义分析：对语法树进行关键字使用、类型匹配、作用域等语法检查。

4字节码：当语义分析完成后，可以生成字节码。

6.字节码

当1个Java源文件被编译后，就会按照JVM规范和字节码定义，产生1个class字节码文件，文件内容由10个固定部分组成。

前4个字节非常特殊，红色框的cafe babe是詹姆斯定义的魔法数，它的作用是标志当前文件是一个字节码文件。当JVM在进行类加载的Load阶段时，如果没有识别到该标志，就说明文件不是字节码文件或已损坏，则无法进行加载。绿色框代表当前版本号，0x34的十进制为52，是JDK8的内部版本号，代表这个字节码文件基于JDK8编译。

剩余部分中的每个字节均代表一个字节码指令，由于每个指令的长度按照1个字节存储，所以每个指令被称为字节码（Bytecode），Java所有的字节码指令有200多个。

由于纯数字的字节码指令阅读比较困难，所以JVM在字节码指令的基础上设计了一套操作码助记符，使用特殊单词来代替对应的数字指令。

例如：

0x15 ILOAD：读取int类型的局部变量

0x36 ISTORE：保存int类型的局部变量

0x60 IADD：执行两个int类型的数值加法运算

0xbb NEW：创建对象

0xbc NEWARRAY：创建数组

0xac IRETURN：返回int类型结果

7.JVM执行方式

JVM执行方式

JVM以解释+编译混合模式，执行字节码文件。

1JVM的执行方式以解释执行为主。执行过程中，JVM将每个字节码文件中的每个指令，通过解释器转换成当前平台可以识别的机器码，然后交给CPU执行。

2为了提高执行效率，JVM还会在运行期间，JVM通过热点代码的统计分析，识别高频的方法调用，循环体、公共模块等，当超过阈值时，JVM会基于JIT 即时编译器（just-in-time compiler）将热点代码转换成机器码，直接交给CPU执行，提高执行效率。

a.Client 模式下默认阈值是 1500 次，在 Server 模式下是 10000次。

• JVM解释器：程序执行的时候，解释器首先发挥作用，省去了编译器编译时间，加快程序的执行效率。
• JIT编译器：在程序运行过程中，随着时间的推移，JIT开始慢慢发挥了作用，把热点代码编译成本地代码后，以后执行相同的代码，即可直接交给CPU执行，带来更高的执行效率。

机器在热机状态可以承受的负载要大于冷机状态（刚启动时 ），如果以热机状态时的流量进行切换，可能使处于冷机状态的服务器因无法承载流量而假死。所以，在生产环境中发布应用，应该以分批的方进行发布，根据机器数量划分成多个批次，每个批次的机器数大概占到整个集群的15%。

故障案例：某应用在线发布新版本，采用进行分批发布，发布总批数误填写成分为两批发布。如果是热机状态，正常情况下，集群中的一半的机器可以勉强支撑负载流量，但由于刚启动的JVM均是解释执行，还没有进行热点代码统计和JIT动态编译，导致机器启动之后，当前 1/2 发布成功的服务器马上全部宕机。

8.类加载器

字节码必须通过类加载器，通过加载、验证、解析等校验步骤，将字节码文件中的类，加载至JVM的中运行时数据区，才可以执行字节码。

9.垃圾收集器

JVM在运行期间，通过Garbage Collctor垃圾收集器，定期对运行时数据区进行垃圾对象的回收，从而实现了内存自动管理。

10.JVM组成结构

JVM由类加载器、运行时数据区、JVM解释器、JIT即时编译器、垃圾回收器、本地方法库等部分组成。

由类加载器完成字节码文件的加载验证和解析，存储至运行时数据区，并由执行引擎中的解释器，完成字节码到机器码的解释执行。同时进行热点代码的统计分析，调用JIT即时编译器将字节码直接编译成机器码，提高执行效率。JVM运行期间的方法调、数据对象统一存放至运行时数据区。