什么是Java的灵魂？了解JVM的结构模型，生命周期，Java王朝虚拟机的更替，各家大厂虚拟机百花齐放

本文链接：https://blog.csdn.net/doomwatcher/article/details/123463011

JVM的整体结构

之前我们的学习更倾向于是用 API 现在我们的学习更加的底层倾向于最底下的部分。

前端编译器： Javac（.java -> .class）

后端虚拟机：hotspot client and server VM

HotSpotVm 结构

Hot Spot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一
他采用解释器与即时编译器并存的架构
在今天 java程序的运行性能已经可以达到和C/C++程序比较的地步了

Java代码的执行流程

生成字节码文件先从源码走到编译器最后生成 Class 字节码文件
到了虚拟机首先是：类加载器 - > 字节码校验器 -> 执行引擎（编译器（针对热点代码，总是要执行的）或者翻译字节码（解释器）执行）

JVM架构模型

Java 编译器输入的指令流基本上是一种基于栈道指令集架构另外一种指令集则是基于寄存器的指令集架构

两种架构的区别就是：

基于栈式架构的特点
- 设计和实现更简单更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都是零地址指令，其执行的过程主要依赖与操作栈，指令集更小
- 不需要硬件支持，可移植性更好，更好的实现跨平台
基于寄存器的特点
- 典型的应用就是 x86 的二进制指令集，比如传统的PC 以及安卓的Davlik 虚拟机
- 指令集架构完全依赖硬件，可移植性差
- 性能够优秀执行更高效
- 话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，基于栈式架构的指令集往往以零地址的指令集为主

反编译实践

查看编译后的字节码文件，是如何的

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

反编译的结果

思考总结

现在跨平台的设计 java 的指令都是根据栈来设计的，不同平台的cpu 架构不同，所以不能设计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瓶盖已经不是java 程序的主流运行平台，（准确的来说 Host Spot VM 对于宿主的环境已经布不局限于嵌入式平台了）那么为什么不讲架构更换成速度更快的寄存器架构呢？

答 : java指令执行是基于栈的架构设计的，再受限的环境（嵌入式环境）和非受限环境都可以有不错的反响，所以基于有点不需要更换架构

JVM生命周期

虚拟机的启动

Java 虚拟机的启动是引导类加载器 bootstarp class loader 创建一个初始类（initial class ）来完成的

这个类是由虚拟机了来具体实现的

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就是 :执行java 程序
程序执行的时候他开始运行程序结束的时候他停止
执行一个所谓的java程序的时候其实真真正正的执行的是一个叫做java 虚拟机的线程

还是以刚才的代码为例子

查看java进程命令： jps

来查看执行中的java程序

可以看到我们在执行的程序.

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

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("hello");
    }
}

执行之后主线程会睡眠 10 秒，此时用 jps 命令来查看线程，可以看到我们执行的程序

输出 hello 之后下次查看就会发现执行完成了刚才的类名线程就停止了

虚拟机的退出

有如下几种情况：

程序正常执行结束
程序在执行中遇到了异常或者错误终止
由于操作系统出现了错误导致 Java 虚拟机进程终止
某线程调用 runtime 类或者 system 类的 exit 方法或者是 runtime 类的halt 方法并且 Java 安全管理器也允许这次exit 或者 halt 操作
除此之外 JNI(Java native interface ) 规范描述了 JNI Invocation API 加载或者卸载，Java 虚拟机时。java虚拟机的退出情况

不管是 System 还是 runTime 调用到最后都是 shutDown 类中的 halt的halt 方法来调用 halt0本地方法来结束进程

    /* The halt method is synchronized on the halt lock
     * to avoid corruption of the delete-on-shutdown file list.
     * It invokes the true native halt method.
     */
    static void halt(int status) {
        synchronized (haltLock) {
            halt0(status);
        }
    }

JVM 发展历程

Sun Classic VM

早在 1996 年 Java 1.0 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 Java 虚拟机，在 Java 1.4 的版本中被淘汰

**特点：这款虚拟机内部只提供解释器不提供 JIT **

如果需要使用JIT 需要外挂，但是一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机状态的执行系统，解释器将不在工作，解释器不能和编译器配合工作现在都 hotspot VM内置了此虚拟机

Exact VM

为了解决上一个虚拟机的问题DK 1.2 的以后 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
虚拟机可以准确的知道内存中某个位置的数据具体是什么类型

特点：

热点代码编译探测
编译器与解释器可以混合工作

不过只在 SUN公司自己的服务器上使用，还没有大展身手被 hotspot VM替换

HotSpot VM

HotSpot VM 历史：

最初是一家叫做 Longview Technologies 的小公司
1997 这个公司被 sun收购，2009年 sun 被甲骨文收购
JDK 1.3 的时候 Hotspot VM 成为默认虚拟机

此后所有的版本默认都是使用的HotSpot VM虚拟机

特点：

通过计数器找到最具编译价值的代码，出发即时编译或者栈上编译
通过编译器与解释器同时协作，在最优化的程序响应时间与最佳的执行性能中取得平衡

BEA JRockit

JRockit 专注于服务器端，这个虚拟机不关注程序的启动速度，因此 JRockit 内部不包含解释器实现，全部代码，都靠即时解释器后执行，

大量测试基准:JRockit 是世界上最快的虚拟机，使用JRockit速度显著提高（70%），硬件上也有成本的减少（50%）

优质特点：

JRockit 面向延迟敏感性应用提供解决方案 JRockit real time 提供以毫秒或者微秒级别的JVM响应时间，适合财务，军事指挥，电信网络等需求
MissionControl工作套件,它是一组以极低开销来监控,管理 , 分析生产环境中的应用工具

2008 年 BEA 被甲骨文收购

优化：

甲骨文整合了两大虚拟机的优势，在JDK 8中在Hotspot 基础上整合了JRockit 的优秀特性

IBM J9

全称叫 : IBM Technology for java Virtual Machine 简称IT4J内部代号 J9

应用场景 : 服务端，桌面，嵌入式等

广泛用于 IBM的各种Java 产品

目前最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左右有影响力 J9 VM 命名为 OpenJ9 交给 Eclipse 会管理也成为 Eclipse OpenJ9

Apache Harmony

Apache 也曾经退出过JDK 1.5 和 JDK1.6 兼容的Java运行平台 Apache Harmony

它是 IBM和intel 联合开发的开源 JVM 受到同样开源的 OpenJDK 压制，SUN坚决不给Harmony

获得JCP认证，最终 2011 年停止，IBM转而参与 OpenJDK

虽然没有大规模商用，但是它的类库被安卓SDK 吸纳，继续发光发热

Microsoft JVM

微软为了 ie3 浏览器 Java Applets 开发了 Microsoft JVM 只能再 window 平台运行但确是win端性能最好用的JVM

特点：只能在Microsoft平台运行

1997 Sun以侵犯商标和不正当竞争指控微软成功，导致微软赔了很多钱，最后再 win环境中移除了Microsoft JVM

Dalvik VM

谷歌开发的应用于安卓系统并且在安卓 2.2 中提供了JIT 发展迅猛，Dalvik VM只能做虚拟机，而不能称作java虚拟机，因为它没有遵守java虚拟机的规范

区别不能直接执行Java CLass

基于寄存器架构不是JVM的栈架构

执行的是编译以后的dex文件，执行效率较高，

这个dex ：可以通过class转换成dex 使用java语法来编写应用程序，可以直接使用大部分都Java API等

不过再安卓 5.0 已经替换成了 ART VM

Graal VM

2018年四月份甲骨文公开了 Graal VM号称 Run Programs Faster Anywhere(使用任何的程序在任何场景更快)

与 1995 年的编写一次任意运行遥遥呼应，

特性

怎正意义上的全栈虚拟机可以作为任何语言的运行平台使用

支持不同语言中混用对方的接口和对象，支持这些语言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者源代码编译后的中间格式，通过转换器转为能被 Graal VM接受的中间标识，Graal VM提供Trffle工具快速构建面向一种语言的解释器，在运行的时候还可以即时编译优化，获得比原生编译器更优秀的效率
如果有一天 Hotspot VM会被替代最有机会的就是 Graal VM但是替换的过程中不会影响Java软件生态的一分一毫