1.为什么要学习JVM？

你是否也遇到过这些问题?

• 运行着的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接OOM(Out Of Memory)!
• 想解决线上JVM GC问题，但却无从下手。
• 新项目上线，对各种JVM参数设置-脸茫然，直接默认吧，然后就JJ了
• 每次面试之前都要重新背一遍JVM的一些原理概念性的东西，然而面试官却经常问你在实际项目中如何调优JVM参数，如何解决GC、OOM等问题，一脸懵逼。

大部分Java开发人员，除会在项目中使用到与Java平台相关的各种高精尖技术，对于Java技术的核心Java虚拟机了解甚少。

我们为什么要学习JVM？

• 面试的需要( BATJ、TMD、PKQ等面试都爱问)
• 中高级程序员必备技能
  项目管理、调优的需要
• 追求极客的精神
  比如:垃圾回收算法、JIT、 底层原理

Java VS C++

垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了开发的效率，但是，垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶的必备能力。

2.跨平台的语言Java和跨语言的平台JVM

Java：跨平台的语言

JVM：跨语言的平台

• 随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。
• Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的，它只关心“字节码”文件。也就是说Java虚拟机拥有语言无关性，并不会单纯地与Java语言“终身绑定”，只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虛拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。

Java不是最强大的语言,但是JVM是最强大的虚拟机。

3.字节码与多语言混合编程

字节码

• 我们平时说的java字节码，指的是用java语言编译成的字节码。准确的说任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为:jvm字节码。
• 不同的编译器，可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的JVM上运行。
• Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式->Class文件格式所关联， Class 文件中包含了Java 虚拟机指令集(或者称为字节码、Bytecodes) 和符号表，还有一.些其他辅助信息。

多语言的混合编程

• Java平台上的多语言混合编程正成为主流，通过特定领域的语言去解决特定领域的问题是当前软件开发应对日趋复杂的项目需求的一个方向。
• 试想一下，在一个项目之中，并行处理用Clojure语言编写，展示层使JRuby/Rails，中间层则是Java，每个应用层都将使用不同的编程语言来完成，而且，接口对每一层的开发者都是透明的，各种语言之间的交互环不存在任何困难，就像使用自己语言的原生API一样方便，因为它们最终都运行在一个虚拟机之上。
• 对这些运行于Java虚拟机之上、Java之外的语言，来自系统级的、底层的支持正在迅速增强，以JSR-292为核心的一系列项目和功能改进(如DaVinci Machine项目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等)，推动Java虚拟从“Java语言的虚拟机”向多语言虚拟机”的方向发展。

4.Java发展的重大事件

略

5.虚拟机和Java虚拟机

虚拟机

• 所谓虚拟机(Virtual Machine)， 就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
• 大名鼎鼎的Visual Box, VMware就属于 系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
• 程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令。
• 无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

Java虚拟机

• Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成。
• JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回收器以及可靠的即时编译器。
• Java技术的核心就是Java虚拟机(JVM，Java Virtual Machine) ,因为所有的Java程序都运行在Java虛拟机内部。

• 作用
  Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。每一条Java指令，Java虛拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。
• 特点
  ➢一次编译，到处运行
  ➢自动内存管理
  ➢自动垃圾回收功能

5.JVM的位置

JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

Google的Android系统结构

6.JVM的整体结构

• 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。

7.Java代码执行流程

• Java编译器编译过程中，任何一个节点执行失败就会造成编译失败。
• 虽然各个平台 的Java虚拟机内部实现细节不尽相同，但是它们共同执行的字节码内容却是一样的。
• JVM的主要任务就是负责将字节码装载到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令(即:汇编语言)执行。
• Java 虚拟机使用类加载器(Class Loader) 装载class文件。
• 类加载完成之后，会进行字节码校验，字节码校验通过之后JVM解释器会把字节码翻译成机器码(即:汇编语言)交由操作系统执行。
• 但不是所有代码都是解释执行的，JVM对此做了优化。比如，以Hotspot虚拟机来说，它本身提供了JIT (Just In Time)。

8.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。

举例1:
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) :

package chapter1;

public class T1_StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
//        int i = 2 + 3;
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
    }
}

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再将eax寄存器的值设为5

总结:

• 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。
• 时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了(准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了)，那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢?
• 栈:
  ➢跨平台性、指令集小、指令多;
  ➢执行性能比寄存器差

9.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虛拟机时，Java虛拟机的退出情况。

10.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 ClassicVM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。
• 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雏形
  ➢热点探测
  ➢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
  ➢英雄气短，终被Hotspot虚拟机替换

SUN公司的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Hot Spot
  ➢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拟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

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JDK 8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J9 VM，命名为OpenJ9，交给Eclipse基金会管理，也称为Eclipse OpenJ9