JVM内存与垃圾回收-1-JVM与Java初识

目录

• Java发展历史
• JVM发展历史
• 虚拟机
• 机器码-中间码/字节码-指令-指令集-汇编-高级语言
• • 机器码/机器语言
  • 字节码
  • 指令
  • 指令集
  • 汇编语言
  • 高级语言
• 指令集架构模型
• JVM-JRE-JDK
• JVM特点
• JVM整体结构
• Java代码执行流程
• JVM生命周期
• 参考书目
• 作者声明

Java发展历史

• 到现在为止，javaSE8(1.8.0)仍然是企业中使用的最多的版本
  

JVM发展历史

• 解释器：提高响应时间，提交代码马上可以执行，执行的慢
• 编译器：提高执行性能，提交代码需要先编译完成，执行的快

1. Sun Classic VM

• 只有解释器

2. Exact VM

• Exact Memory Management：虚拟机知道位于内存中的数据的具体类型
• 编译器和解释器协同工作
• 热点探测

3. Sun HotSpot VM

• 使用最多的虚拟机
• 编译器（JIT）和解释器协同工作
• JIT（Just In Time）即时编译器会将编译后的热点代码缓存起来
• 热点探测（热点代码为经常被执行的代码）
• 独有方法区，JRockit和J9 VM都没有方法区
• Sun公司被Oracle收购

4. BEA JRockit VM

• 快
• 专注服务器应用
• 没有解释器
• 全面的JVM解决方案（提供JRockit Real Time解决方案-微秒响应时间；提供Mission Control服务套件-极低开销监控、管理和分析JVM的工具）
• BEA公司被Oracle收购

5. IBM J9 VM

• 定位类似HotSpot
• 适合在IBM自家产品上使用

6. KVM和CDC/CLDC HotSpot VM

• CDC/CLDC HotSpot VM是Java ME产品线上的两款VM
• KVM是CLDC-HI的早期产品
• KVM面向低端功能机市场
• KVM简单、轻量、高度可移植

7. Azul VM

• 软硬件耦合
• 超快：Azul VM与Vega系统结合性能>HotSpot

8. Azul Zing VM

• 快：Zing VM 在x86平台性能>HotSpot

9. BEA Liquid VM

• 也叫JRockit VE（Virtual Edition）
• 软硬件耦合
• 不需要运行于操作系统之上，自己实现了专用操作系统
• 项目已经终止

10. Apache Harmony

• 未大规模商用
• Java类库代码吸纳进了Android SDK

11. Microsoft VM

• 因商业纠纷停用

12. TaobaoJVM

• GCIH（GC invisible heap，GC不可见的堆）：
  • GC管理：生命周期长的对象移动到heap外，GC不能管理GCIH内部的Java对象-生命周期长的对象直接不让GC管理了。
  • 对象共享：GCIH中的对象可以跨JVM进程共享。
• JNI（Java native interface）：
  • 降低JNI调用开销
  • 使用crc32指令实现JVM intrinsic降低了JNI调用开销
• 诊断监测：
  • PMU hardware的Java profiling tool
• ZenGC：
  • 大数据场景
• 软硬件耦合
  • CPU全都是清一色的Intel CPU，且编译手段采用的是Intel C/CPP Compiler进行编译

13. Dalvik VM

• 应用于Android系统
• 不能称作Java虚拟机，因为它没有遵循Java虚拟机规范并且指令集架构也不同
• 不能直接运行.class文件，执行.dex文件
• 基于寄存器架构，不是JVM的栈式架构
• .dex是编译完成的文件，因此执行效率高
• .dev文件可以通过.class文件转化而来

14. ART VM

• Android 5.0替换Dalvik VM
• 支持提前编译AOT（Ahead of Time Compilation）
• 应用于Android系统
• 不能称作Java虚拟机，因为它没有遵循Java虚拟机规范并且指令集架构也不同

16. Graal VM

• Graal VM是跨语言全栈虚拟机
  • 口号：“run programs faster anywhere”
  • 支持各种语言，包括 Java、Scala、C、C++、Javascript、Ruby、Python等
  • 直接跨语言接口调用和对象使用，比如，Java可以使用Python接口和对象
• JVM是跨语言的平台
  • 口号：“write once, run anywhere”
• 输入规范
  • Graal VM的输入也有规范，由Truffle工具集构建的某语言解释器满足
  • 传统JVM的输入必须是符合JVM规范的.class文件
• 工作原理
  • 将某种语言的源代码或中间代码（源代码编译后的结果）通过解释器转化为中间表示（能被Graal VM接受的中间表示）
  • 提供Truffle工具集可以快速构建新语言的解释器（某语言源代码或中间代码-解释-》Graal VM输入）
  • 提供即时编译优化，获得比某语言原生编译器更优秀的执行效率

虚拟机

• 虚拟机 分为系统虚拟机和程序虚拟机
• 系统虚拟机：是对物理计算机的仿真；visual box和VMware就属于系统虚拟机
• 程序虚拟机：专门为执行单个计算机程序而设计；JVM就属于程序虚拟机

机器码-中间码/字节码-指令-指令集-汇编-高级语言 机器码/机器语言

• 机器码是二进制编码，是01序列 表示的指令
• 机器码能够被计算机直接理解，与人类语言相差巨大
• 机器码与硬件平台（CPU）高度耦合
• 不同硬件平台（CPU）具有不同机器码

字节码

• .class文件，中间码
• 中间状态的二进制代码，从机器码向上抽象成中间码/字节码
• 为了实现跨平台，与特点硬件平台解耦
• .java文件-编译-》.class文件-JVM-》机器码

指令

• 由于机器码的可读性太差而出现了指令
• 把特定功能 机器码/特定01序列 固定为指令。例如，mov, inc等
• 不同硬件平台（CPU）具有不同机器码》不同硬件平台（CPU）具有不同指令

指令集

• 指令构成的集合
• 不同硬件平台（CPU）具有不同机器码》不同硬件平台（CPU）具有不同指令》不同硬件平台（CPU）具有不同指令集
• 常见：x86指令集 对应 x86架构的平台；ARM指令集 对应 ARM架构的平台

汇编语言

• 由于指令的可读性太差出现了汇编语言
• 操作码助记符：助记符代替指令的操作码
• 操作数助记符：地址符号或标号代替指令或操作数的地址
• 不同硬件平台（CPU）具有不同机器码》不同硬件平台（CPU）具有不同指令》不同硬件平台（CPU）具有不同指令集》不同硬件平台（CPU）可能具有不同汇编语言（同一厂商的硬件平台一般具有同一汇编语言）
• 汇编语言-汇编过程-》特定硬件平台指令集

高级语言

• 由于汇编的可读性太差出现了高级语言
• 高级语言》解释/编译》汇编语言》机器指令

指令集架构模型

指令集架构模型	典型应用	特点	n地址指令	对齐方式
基于寄存器的指令集架构	x86指令集	依赖于寄存器，可移植性差，性能优秀执行高效	一般，都是一地址指令，二地址指令，三地址指令为主	16位对齐
基于栈的指令集架构	JVM	栈结构实现简单不需要特定硬件支持，可移植性好，适用于资源受限的系统（开始Java程序就是为了运行在机顶盒上）。	使用零地址指令分配方式（栈顶），避开了寄存器的分配难题。	8位对齐

对比

• 单个指令大小：基于栈的指令集模型<基于寄存器指令集模型
• 同样操作所需指令数量：基于栈的指令集模型>基于寄存器指令集模型

JVM-JRE-JDK

JVM特点

• JVM是跨语言的平台
• 口号：“write once, run anywhere”
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收

JVM整体结构

Java代码执行流程

简介

详解

• 编程器一般分为前端，中端，后端
• javac是前端编译器
• JIT（即时编译器）是后端编译器

JVM生命周期

生命周期：

• 引导类加载器（bootstrap class loader）》创建初始类对象（initial class）》启动JVM》执行java程序》执行Java程序完毕，停止JVM
• Java程序由JVM进程负责执行
  虚拟机退出方式
• 自动正常退出：Java程序执行完毕正常退出
• 自动异常终止：Java程序执行过程中遇到内部外部异常或错误（Java程序异常，操作系统异常）
• 主动退出：调用exit()方法，halt()方法

参考书目

• 参考Oracle公司发布的《The Java Virtual Machine Specification》

作者声明

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