JVM与Java体系结构

JVM简介

🔶Java 生态圈

Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着 Java 以及 Java 社区的不断壮大，Java 也早已不再是简简单单的一门计算机语言了，它更是一个平台、一种文化、一个社区。

• 作为一个平台，Java 虚拟机扮演着举足轻重的作用 Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平台的一部分
• 作为一种文化，Java 几乎成为了"开源"的代名词。 第三方开源软件和框架。如 Tomcat、Struts，MyBatis，Spring等。 就连JDK和JVM自身也有不少开源的实现，如 openJDK、Harmony。
• 作为一个社区，Java 拥有全世界最多的技术拥护者和开源社区支持，有数不清的论坛和资料。从桌面应用软件、嵌入式开发到企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到Java的身影。其应用形式之复杂、参与人数之众多也令人咋舌。

🔶Java跨平台性

• 每个语言都需要转换成字节码文件，最后转换的字节码文件都能通过 Java 虚拟机进行运行和处理
• 随着 Java7 的正式发布，Java 虚拟机的设计者们通过 JSR-292 规范基本实现在 Java 虚拟机平台上运行非 Java 语言编写的程序。

🔶 字节码

• Java虚拟机平台上可运行非 Java 语言编写的程序
• Java 虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的，它只关心「字节码」文件。也就是说 Java 虚拟机拥有语言无关性，并不会单纯地与 Java 语言「终身绑定」，只要其他编程语言的编译结果满足并包含 Java 虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。

• 我们平时说的 Java 字节码，指的是用 Java 语言编译成的字节码。准确的说任何能在 JVM 平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为：JVM字节码。
• 不同的编译器，可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的 JVM 上运行。
• 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DaVinci 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。

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，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
• 对比总结：执行速度慢；无需硬件支持，可移植性好；指令集小，相同命令需要的指令多

🔶 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，与硬件的耦合度高，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
• 对比总结： 执行速度快；需硬件支持，可移植性差；指令集多，相同命令需要的指令少

🔶 举例1

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

• 基于寄存器的计算流程

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

🔶 举例2

编写 Java 代码并运行

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

使用 Terminal，cd 进入编译后的目录(out 目录下）

输入命令进行反编译：javap -v StackStruTest.class

命令：

javap -v StackStruTest.class

结果：

Classfile /E:/java/code/leetCode/out/production/jvm/chapter1/StackStruTest.class
  Last modified 2021-11-5; size 466 bytes
  MD5 checksum dec5b7891e00fc861103e556faa55c83
  Compiled from "StackStruTest.java"
public class chapter1.StackStruTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #22            // chapter1/StackStruTest
   #3 = Class              #23            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lchapter1/StackStruTest;
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               args
  #14 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               i
  #16 = Utf8               I
  #17 = Utf8               j
  #18 = Utf8               k
  #19 = Utf8               SourceFile
  #20 = Utf8               StackStruTest.java
  #21 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #22 = Utf8               chapter1/StackStruTest
  #23 = Utf8               java/lang/Object
{
  public chapter1.StackStruTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lchapter1/StackStruTest;

  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 5: 0
        line 6: 2
        line 7: 4
        line 8: 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
}
SourceFile: "StackStruTest.java"

后面再详细介绍。

🔶 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。

时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是 HotSpot VM 的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？

因为基于栈的架构跨平台性好、指令集小，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构。

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。

JVM整体结果如图所示：

包含四大部分：

• 类加载器 ClassLoader：负责加载字节码文件，只负责 class 文件的加载，至于是否可以运行，由执行引擎决定。
• 运行时数据区 Runtime Data Area：虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈
• 执行引擎 Execution Engine：解释器，JIT编译器，垃圾回收器
• 本地库接口 Native Interface

JVM的生命周期

🔶 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

java程序

public class StackStruTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
        Thread.sleep(10000);
    }
}

在程序还在运行时，在命令行中输入：jps，可以查看到当前的进程

🔶 虚拟机的退出

• 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。