虚拟机

虚拟机概念

  • 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。
    • 大名鼎鼎的Virtual Box，VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机硬件的仿真(模拟)，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
    • 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。
  • 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。

    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，Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。

作用：
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。
特点：

  1. 一次编译，到处运行
  2. 自动内存管理

  3. 自动垃圾回收功能

    1. JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互

      JVM的位置

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      JVM的整体结构

  4. HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。

  5. 它采用解释器与即时编译器并存的架构。
  6. 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。

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Java代码执行流程

凡是能生成被Java虚拟机所能解释、运行的字节码文件，那么理论上我们就可以自己设计一套语言了
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JVM的架构模型

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：

基于栈的指令集架构

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

    基于寄存器的指令级架构

    基于寄存器架构的特点：

  5. 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。

  6. 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
  7. 性能优秀和执行更高效
  8. 花费更少的指令去完成一项操作
  9. 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

    两种架构的举例

    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）：

    1. iconst_2 //常量2入栈 
    2. istore_1 
    3. iconst_3 // 常量3入栈 
    4. istore_2 
    5. iload_1 
    6. iload_2 
    7. iadd //常量2/3出栈，执行相加 
    8. istore_0 // 结果5入栈 12345678 8个指令

  • 而基于寄存器的计算流程

    1. mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1 
    2. add eax,3 //使eax寄存器的值加3 12

    JVM架构总结

  1. 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。栈的优点：跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能比寄存器差一些。
  2. 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

  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

    有如下的几种情况：

  4. 程序正常执行结束

  5. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  6. 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
  7. 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。

  8. 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。

    JVM发展历程

    Sun Classic VM

  9. 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。

  10. 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的本地机器指令缓存起来，那么以后使用热点代码的时候，效率就比较高】
  11. 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。
    • 我们将字节码指令翻译成机器指令也是需要花时间的，如果只使用JIT，就需要把所有字节码指令都翻译成机器指令，就会导致翻译时间过长，也就是说在程序刚启动的时候，等待时间会很长。
    • 而解释器就是走到哪，解释到哪。

  12. 现在Hotspot内置了此虚拟机。

    Exact VM

  13. 为了解决上一个虚拟机问题，jdk1.2时，Sun提供了此虚拟机。

  14. Exact Memory Management：准确式内存管理
    • 也可以叫Non-Conservative/Accurate Memory Management
    • 虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型。
  15. 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

  16. 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

    HotSpot VM（重点）

  17. 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
  18. 目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林。
    • 不管是现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中，默认的虚拟机都是HotSpot
    • Sun/oracle JDK和openJDK的默认虚拟机
    • 因此本课程中默认介绍的虚拟机都是HotSpot，相关机制也主要是指HotSpot的GC机制。（比如其他两个商用虚机都没有方法区的概念）
  19. 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。

  20. 名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。

    • 通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换
    • 通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

      JRockit（商用三大虚拟机之一）

  21. 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。

  22. 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%）。
  23. 优势：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。
  24. 2008年，JRockit被Oracle收购。
  25. 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。

  26. 高斯林：目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人

    IBM的J9（商用三大虚拟机之一）

  27. 全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9

  28. 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。
  29. 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。
  30. 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

  31. OpenJDK -> 是JDK开源了，包括了虚拟机

    KVM和CDC/CLDC Hotspot

  32. Oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为：CDC/CLDC HotSpot Implementation VM

  33. KVM（Kilobyte）是CLDC-HI早期产品
  34. 目前移动领域地位尴尬，智能机被Android和iOS二分天下。
  35. 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

  36. 所有的虚拟机的原则：一次编译，到处运行。

    Azul VM

  37. 前面三大“高性能Java虚拟机”使用在通用硬件平台上

  38. 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。
  39. 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。
  40. 每个Azul VM实例都可以管理至少数十个CPU和数百GB内存的硬件资源，并提供在巨大内存范围内实现可控的GC时间的垃圾收集器、专有硬件优化的线程调度等优秀特性。

  41. 2010年，Azul Systems公司开始从硬件转向软件，发布了自己的Zing JVM，可以在通用x86平台上提供接近于Vega系统的特性。

    Liquid VM

  42. 高性能Java虚拟机中的战斗机。

  43. BEA公司开发的，直接运行在自家Hypervisor系统上
  44. 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。

  45. 随着JRockit虚拟机终止开发，Liquid vM项目也停止了。

    Apache Marmony

  46. Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。

  47. 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

  48. 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。

    Micorsoft JVM

  49. 微软为了在IE3浏览器中支持Java Applets，开发了Microsoft JVM。

  50. 只能在window平台下运行。但确是当时Windows下性能最好的Java VM。

  51. 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。

    Taobao JVM

  52. 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。

  53. 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。
  54. 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
  55. 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。

    Dalvik VM

  1. 谷歌开发的，应用于Android系统，并在Android2.2中提供了JIT，发展迅猛。
  2. 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
  3. 不能直接执行Java的Class文件
  4. 基于寄存器架构，不是jvm的栈架构。
  5. 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。

  1. Android 5.0使用支持提前编译（Ahead of Time Compilation，AoT）的ART VM替换Dalvik VM。

    Graal VM（未来虚拟机）

  2. 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。

  3. 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
  4. 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
  5. 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。
  6. 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。

    总结

    具体JVM的内存结构，其实取决于其实现，不同厂商的JVM，或者同一厂商发布的不同版本，都有可能存在一定差异。主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。
    文章来自网络