JVM与Java体系结构(一)
1.JVM整体结构
- 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。
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
3.JVM的架构模型
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,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方水洋
总结
基于栈式架构,由于跨平台的设计,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
4.JVM的生命周期
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。
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。
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
由于操作系统用现错误而导致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。(Runtime是单例,饿汉式的)
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.JVM发展历程
Sun Classic VM
- 早在1996年Java1.0版本的时候,Sun公司发布了一款名为sun classic VM的Java虚拟机,它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机,JDK1.4时完全被淘汰。
- 这款虚拟机内部只提供解释器。现在还有及时编译器,因此效率比较低,而及时编译器会把热点代码缓存起来,那么以后使用热点代码的时候,效率就比较高。
- 如果使用JIT编译器,就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器,JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和编译器不能配合工作。
- 现在hotspot内置了此虚拟机。
Exact VM
为了解决上一个虚拟机问题,jdk1.2时,sun提供了此虚拟机。
Exact Memory Management:准确式内存管理
- 也可以叫Non-Conservative/Accurate Memory Management
- 虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型。|
具备现代高性能虚拟机的维形
- 热点探测(寻找出热点代码进行缓存)
- 编译器与解释器混合工作模式
只在solaris平台短暂使用,其他平台上还是classic vm,终被Hotspot虚拟机替换
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
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,JRockit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。
高斯林:目前就职于谷歌,研究人工智能和水下机器人
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。
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
OpenJDK -> 是JDK开源了,包括了虚拟机