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-SUN | Hotspot |
| Oracle | JRocket |
| IBM | J9 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。
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。