一 前言

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1）大部分Java开发，都是在编写业务代码，与Java底层的相关知识是了解不多的。
2）JVM学习其一便是面试要问，其二是项目调优需要。
3）追求极客精神的底层技术，如：垃圾回收算法，JIT，底层原理等。
4）垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了开发的效率，但是，垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶的必备能力。

二 学习进阶书籍

1）《深入理解Java虚拟机(第三版新)》
2）《深入理解JVM&G1GC》
3）《揭秘Java虚拟机—JVM设计原理与实现》
4）《Java虚拟机基础教程》
5）《码出高效—Java开发手册》

三 JVM和Java

世界上没有最好的编程语言，只有最适用于具体应用场景的编程语言。

3.1 Java

1）一门跨平台的语言，编写的程序可以在不同的平台上运行。
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3.2 JVM

1）一个跨语言的平台，可以支持不同语言编写的代码，前提是这些语言需要编译成字节码，然后交给JVM运行。
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四 Java发展历史

  1. 1990年，在sun计算机公司中，由 Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling 领导的小组Green Team，开发出的新的程序语言，命名为oak，后期命名为Java。
  2. 1995年，Sun正式发布Java和lHotJava产品，Java首次公开亮相。
  3. 1996年1月23日Sun Microsystems发布了JDK 1.0。
  4. 1998年，JDK 1.2版本发布。同时，sun发布了JSP/Servlet、EJB规范，以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。
  5. 2000年，JDK 1.3发布，Java HotSpot Virtual Machine正式发布，成为Java的默认虚拟机。
  6. 2002年，JDK 1.4发布，古老的classic虚拟机退出历史舞台。
  7. 2003年年底，Java平台的scala正式发布，同年Groovy也加入了Java阵营。
  8. 2004年，JDK 1.5发布。同时JDK 1.5改名为JavaSE 5.0。
  9. 2006年，JDK 6发布。同年，Java开源并建立了OpenJDK。顺理成章，Hotspot虚拟机也成为了openJDK中的默认虚拟机。
  10. 2007年，Java平台迎来了新伙伴clojure。
  11. 2008年，Oracle收购了BEA，得到了JRockit虚拟机。
  12. 2009年，Twitter宣布把后台大部分程序从Ruby迁移到Scala，这是Java平台的又一次大规模应用。
  13. 2010年，Oracle收购了Sun，获得Java商标和最具价值的HotSpot虚拟机。此时，Oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机HotSpot和JRocKit，并计划在未来对它们进行整合：HotRockit。
  14. 2011年，JDK7发布。在JDK 1.7u4中，正式启用了新的垃圾回收器G1。
  15. 同年，IBM的J9开源，形成了现在的 Open J9 社区
  16. 2018年，Android的Java侵权案判决，Google赔偿Oracle计88亿美元
  17. 同年，Oracle宣告JavaEE成为历史名词，JDBC、JMs、Servlet赠予Eclipse基金会。
  18. 同年，JDK11发布，LTS版本的JDK，发布革命性的ZGC，调整JDK授权许可。
  19. 2019年，JDK12发布，加入RedHat领导开发的shenandoah GC。
  20. 2020年9月15日，JDK15发布。

  21. 2021年3月17日，JDK16发布。

    五 虚拟机

    5.1 普通虚拟机

    1）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。
    2）大名鼎鼎的Visual Box，VMware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。
    3）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。
    4）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。

    5.2 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（Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。
    4）作用：jvm就是Java二进制字节码的运行环境。
    5）特点

  22. 一次编译，多处运行。

  23. 自动的内存管理机制。
  24. 垃圾自动回收功能。

    六 JVM的架构模型

    6.1 基于栈的指令集架构

  • 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。

    6.2 基于寄存器的指令集架构

  • 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。

由于Java的跨平台性，栈结构是最适合jvm的，优点是指令集少，指令多，但是性能的话比寄存器差。

七 JVM的生命周期

7.1 JVM启动

1）Java虚拟机的启动就是通过类引导器（bootstrap class loader）来创建一个初始类（initial class）来完成的。
2）这个类是具体的实现指定的（不同的虚拟机指定的类名不同）。

7.2 JVM执行

1）一个运行的jvm，有着自己清晰的任务，就是运行一个Java程序。
2）在Java程序开始执行的时候，jvm也开始执行，Java程序结束的时候它也结束了。
3）在执行Java程序的时候，也就是真正的在执行一个叫做Java虚拟机的进程。

7.3 JVM退出

在下面几种情况下，Java虚拟机会退出执行

1）Java程序正常结束的时候。
2）Java程序执行的时候遇到异常或错误而终止的时候。
3）由于操作系统的错误导致jvm的退出。
4）某线程执行System类，Runtime类的exit()方法，或者是Runtime类的halt()方法。
5）除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或者卸载Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。

八 JVM发展历史

8.1 Classic VM

1）在1996年Java1.0版本的时候，sun公司就发布了一款名为sun classic vm 的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用的Java虚拟机，JDK1.4的时候被完全淘汰掉。
2）这款虚拟机内部只提供了解析器。
3）如果使用JIT编辑器，就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编辑器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解析器就不再工作了。解析器和编译器不能配合工作。
4）现在HotSpot内置了此虚拟机。

8.2 Exact VM

1）为了解决上一个虚拟机的问题，JDK1.2的时候，sun公司提供了这个虚拟机。
2）Exact Memory Management：准确式内存管理。

  1. 也可以叫做 Non-Conservative/Accurate Memory Management
  2. 虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型。

3）具备现代高性能虚拟机的雏形。

  1. 热点探测
  2. 编辑器和解析器混合工作模式

4）只在Solaris平台短暂使用，其他平台上还是 classic vm。比较短命，最终被HotSpot虚拟机替换。

8.3 HotSpot

1）最初是由一家名为“Longview Technologies”的小公司设计。
2）1997年，此公司被sun收购，2009年，sun公司被甲骨文收购。
3）JDK1.3时，HotSpot VM 称为Java的默认虚拟机。
4）目前，Hotspot占据了绝对的市场地位。不管是在JDK1.6还是使用比较多的JDK1.8中，默认的虚拟机都是Hotspot。同时也是Oracle JDK和 openJDK的默认虚拟机。

8.4 JRockit

1）BEA公司开发。此款虚拟机专注于服务端的应用。它可以不太关注程序的启动速度，因此JRockit内部不包含解析器的实现，全部代码都是靠即时编译器编译后执行的。
2）大量的行业基准测试显示：JRockit VM 是世界上最快的Java虚拟机。
3）它的优势是全面的Java运行时解决方案组合。JRockit面向延迟敏感型应用的解决方案 JRockit Real Time 提供毫秒或者微秒级别的JVM响应时间，适合财务，军事指挥，电信网络的需要。
4）2008年，BEA公司被Oracle甲骨文收购。
5）Oracle在JDK8中，整合了两大优秀虚拟机，整合到方式是在HotSpot的基础上面，移植了JRockit的优秀特性。

8.5 J9 VM

1）IBM公司开发的J9，全称是：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9。
2）市场定位和Hotspot接近，服务端，桌面应用，嵌入式等多个用途。
3）目前，是世界上三大商用服务器之一，也是号称世界上最快的Java虚拟机。
4）2017年，IBM发布了开源的J9 VM，命名为openJ9，交由给Eclipse基金会管理，也称为Eclipse Open J9。

8.6 KVM和CDC/CLDC HotSpot

1）Oracle在Java ME 产品线上的两款虚拟机：CDC/CLDC HotSpot Implementation VM
2）KVM（Kilobyte）是CLDC-HI早期的产品
3）目前移动领域地位尴尬，智能手机被Android和IOS二分天下
4）KVM简单，轻量，高度可移植，面向更加低端的设备上还维持着自己的一片市场

  • 智能控制器，传感器
  • 老人手机，经济欠发达地区的功能手机

5）所有的虚拟机的原则：一次编译，到处运行

8.7 TaobaoJVM

1）由AliJVM团队发布。阿里，国内使用Java最强大的公司，覆盖了云计算，金融，物流，电商等众多领域，需要解决高并发，高可用，分布式等复合问题。有大量的开源产品。
2）基于OpenJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK，简单AJDK。是整个阿里Java体系的基石。
3）TaobaoJVM是基于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（GC invisible heap）技术实现了off-heap，即将生命周期较长的Java对象从heap中移动到了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中的对象还能够实现JVM intrinsic 降低JNI的调用开销
  • PMU hardware 的Java profiling 降低JNI的调用开销
  • 针对大数据场景的ZenGC

4）TaobaoJVM应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖于Intel的cpu，损失了兼容性，但是提升了性能
5）目前，已经在淘宝，天猫上线，把Oracle 官方版本的JVM版本全部替换了