1. JVM 体系结构

1. 前言

作为 Java 工程师 ，jvm 对于 java 的重要性不言而喻，但是 我们又对 jvm 了解多少 Java 的跨平台性

java 发布的口号 “一处编译到处运行 ” 依赖于 jvm，并随着 jvm 的发展， jvm 也不仅仅只是 java 语言专有的运行虚拟机，相比较 java 语言本身，jvm 更加出色。Groovy、Scala、JRuby、Kotlin 等都是 Java 平台的一部分。

jvm 只认识字节码，平时我们所说的字节码 ，通常指的是 java 字节码，理论上，只要开发出相应语言的字节码编译器，可以将 相应的语言编译成为 符合 jvm 规范的 字节码文件，都可以运行在 jvm 中，这也是 jvm 的跨语言性

示意图：

 

多语言混合编程

1、 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；
2、 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；
3、 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 DaVinciMachine 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；

2. 虚拟机介绍

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。

1、 例如 windows 虚拟机 VMware，它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；
2、 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；

java 虚拟机

1、 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；
2、 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；
3、 Java 技术的核心就是 Java 虚拟机（JVM，JavaVirtualMachine），因为所有的 Java 程序都运行在 Java 虚拟机内部；
4、 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；

如今，说到 java 虚拟机，默认的就是 HotSpot VM ，是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。

特点：

• 解释器与即时编译器并存的架构。
• 执行引擎包含三部分：解释器，即时编译器，垃圾回收器

代码执行示意图

 

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。

两者的优缺点

基于栈式架构的特点：

1、 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统；
2、 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配；
3、 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；
4、 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：

1、 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；
2、 指令集架构则完全依赖硬件，与硬件的耦合度高，可移植性差；
3、 性能优秀和执行更高效；
4、 花费更少的指令去完成一项操作；
5、 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：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

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

4. 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

1、 一个运行中的 Java 虚拟机有着一个清晰的任务：执行 Java 程序；
2、 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止；
3、 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

1、 程序正常执行结束；
2、 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止；
3、 由于操作系统出现错误而导致 Java 虚拟机进程终止；
4、 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；
5、 除此之外，JNI（JavaNativeInterface）规范描述了用 JNIInvocationAPI 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

1、 SunClassicVM；

• 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，没有即时编译器，因此效率比较低，即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。

1、 ExactVM；

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
• 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，英雄气短，终被 Hotspot 虚拟机替换

1、 HotSpotVM；

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
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。在编译器与解释器中取得最佳执行平衡

1、 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%）。
• 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
• Mission Control 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。

1、 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

1、 KVM 和 CDC/CLDCHotspot；

• Oracle 在 Java ME 产品线上的两款虚拟机为：CDC/CLDC HotSpot Implementation VM KVM（Kilobyte）是 CLDC-HI 早期产品目前移动领域地位尴尬，智能机被 Android 和 iOS 二分天下。
• KVM 简单、轻量、高度可移植，面向更低端的设备上还维持自己的一片市场 ，智能控制器、传感器 ，老人手机、经济欠发达地区的功能手机

1、 AzulVM；

• 前面三大“高性能 Java 虚拟机”使用在通用硬件平台上这里 Azul VW 和 BEA Liquid VM 是与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机：高性能 Java 虚拟机中的战斗机。
• Azul VM 是 Azul Systems 公司在 HotSpot 基础上进行大量改进，运行于 Azul Systems 公司的专有硬件 Vega 系统上的 Java 虚拟机。

1、 LiquidVM；

• 高性能 Java 虚拟机中的战斗机。
• BEA 公司开发的，直接运行在自家 Hypervisor 系统上
• Liquid VM 即是现在的 JRockit VE（Virtual Edition）
• Liquid VM 不需要操作系统的支持，或者说它自己本身实现了一个专用操作系统的必要功能，如线程调度、文件系统、网络支持等。
• 随着 JRockit 虚拟机终止开发，Liquid vM 项目也停止了。

1、 ApacheMarmony；

• Apache 也曾经推出过与 JDK1.5 和 JDK1.6 兼容的 Java 运行平台 Apache Harmony。
• 它是 IElf 和 Intel 联合开发的开源 JVM，受到同样开源的 Open JDK 的压制，Sun 坚决不让 Harmony 获得 JCP 认证，最终于 2011 年退役，IBM 转而参与 OpenJDK
• 虽然目前并没有 Apache Harmony 被大规模商用的案例，但是它的 Java 类库代码吸纳进了 Android SDK。

1、 MicorsoftJVM；

• 微软为了在 IE3 浏览器中支持 Java Applets，开发了 Microsoft JVM。
• 只能在 window 平台下运行。但确是当时 Windows 下性能最好的 Java VM。
• 1997 年，Sun 以侵犯商标、不正当竞争罪名指控微软成功，赔了 Sun 很多钱。微软 WindowsXP SP3 中抹掉了其 VM。现在 Windows 上安装的 jdk 都是 HotSpot。

1、 TaobaoJVM；

• 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）技术实现了 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。

1、 DalvikVM；

• 谷歌开发的，应用于 Android 系统，并在 Android2.2 中提供了 JIT，发展迅猛。
• Dalvik VM 只能称作虚拟机，而不能称作“Java 虚拟机”，它没有遵循 Java 虚拟机规范
• 不能直接执行 Java 的 Class 文件
• 基于寄存器架构，不是 jvm 的栈架构。
• 执行的是编译以后的 dex（Dalvik Executable）文件。执行效率比较高。
• 它执行的 dex（Dalvik Executable）文件可以通过 class 文件转化而来，使用 Java 语法编写应用程序，可以直接使用大部分的 Java API 等。
• Android 5.0 使用支持提前编译（Ahead of Time Compilation，AoT）的 ART VM 替换 Dalvik VM。

1、 GraalVM；

• 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。

总结：目前市场上最流行的 三大 jvm ，HotSpot ，JRockit ， IBM 的 J9 占有率最高，至于未来，如果说 HotSpot 有一天真的被取代，Graalvm 希望最大。但是 Java 的软件生态没有丝毫变化。