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JVM与Java体系结构

jvm

“java是跨平台的语言,jvm是跨语言的平台”。

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200716021623.png

字节码

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,展示层使用JRuby/Rails,中间层则是Java,每个应用层都将使用不同的200_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Da Vinci Machine项目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等),推动Java虚拟机从“Java语言的虚拟机”向 “多语言虚拟机”的方向发展。

虚拟机与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,Mware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、优秀的垃圾回器,以及可靠的即时编译器。

Java工作的核心就是Java虚拟机(JVM,Java Virtual Machine),因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。

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虚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

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

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Java体系结构

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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。

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执行引擎包含三部分:解释器,即时编译器,垃圾回收器

Java代码执行流程

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200717093933.png

只要能生成被Java虚拟机所能解释的字节码文件,那么理论上就可以自己设计一套代码了

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

地址码通常指定参与操作的操作数的地址。根据一条指令中有操作数地址数X,可将该指令称为X操作数指令或X地址指令。目前二地址和一地址指令格式用的得最多。

零地址指令的指令字中只有操作码,而没有地址码。

一地址指令常称单操作数指令。 (AC) OP (A) → AC

二地址指令常称双操作数指令,它有两个地址码字段A1和A2,分别指明参与操作的两个数在内存中或运算器通用寄存器的地址,其中地址A1兼做存放操作结果的地址。 (A1) OP (A2) → A1

三地址指令字中有三个操作数地址A1,A2和A3。 (A1) OP (A2) → A3

基于栈式架构指令是8位, 基于寄存器指令是16位。

举例

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):

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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

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mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

字节码反编译

我们编写一个简单的代码,然后查看一下字节码的反编译后的结果

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/**
 * @author: 陌溪
 * @create: 2020-07-04-21:17
 */
public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2 + 3;
    }
}

然后我们找到编译后的 class文件,使用下列命令进行反编译

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javap -v StackStruTest.class

得到的文件为:

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  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 2
        line 11: 4
        line 12: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            2       7     1     i   I
            4       5     2     j   I
            8       1     3     k   I

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。

跨平台:在不同的操作系统中,存在不同的虚拟机JVM,解析相同的一套字节码指令。

JVM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。
  • 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。

JVM发展历程

sun classic vm

exact vm

hostspot vm

jrockit

j9

Taobao JVM

由AliJVM团队发布。阿里,国内使用Java最强大的公司,覆盖云计算、金融、物流、电商等众多领域,需要解决高并发、高可用、分布式的复合问题。有大量的开源产品。

基于openJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK,简称AJDK。是整个阿里Java体系的基石。

基于openJDK Hotspot VM发布的国内第一个优化、深度定制且开源的高性能服务器版Java虚拟机。

  • 创新的GCIH(GCinvisible heap)工作实现了off-heap,即将生命周期较长的Java对象从heap中移到heap之外,并且Gc不能管理GCIH内部的Java对象,以此达到降低GC的回收频率和提升Gc的回收效率的目的。
  • GCIH中的对象还能够在多个Java虚拟机进程中实现共享
  • 使用crc32指令实现JvM intrinsic降低JNI的调用开销
  • PMU hardware的Java profiling tool和诊断协助功能
  • 针对大数据场景的ZenGc

taobao vm应用在阿里产品上性能高,硬件严重依赖inte1的cpu,损失了兼容性,但提高了性能

目前已经在淘宝、天猫上线,把oracle官方JvM版本全部替换了。