前言

推荐学习官方书籍，首推周志明老师出版的《深入理解》Java虚拟机
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Java及JVM简介

1.Java是跨平台语言

不同平台只要安装了JVM就可以运行字节码文件
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2.JVM是跨语言的平台

只要将不同的语言编译成JVM能识别的字节码文件就能运行
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如果想真正理解虚拟机的工作原理，就自己编写一个简单的虚拟机
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3.java发生的重大事件

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4.Java虚拟机

  • 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。

  • 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
  • 自动内存管理和自动垃圾回收机制带来的问题

弱化了开发人员处理内存和垃圾回收的能力，间而形成了如容导致内存溢出的问题和代码优化的问题

  • JVM所处位置

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Java8的结构图
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5.JVM的整体结构

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  • HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机代表之一
  • 它采用解释器和即时编译器并存的架构

方法区和堆是所有线程共享的区域，Java栈(虚拟机栈)、本地方法栈和程序计数器是线程私有的
执行引擎：是将class文件翻译成机器指令

6.Java代码执行流程

  • 执行引擎包含两部分
  1. 翻译字节码(解析执行)，保证响应时间，系统一启动就对字节码进行逐行解析执行
  2. JIT编译器(编译执行)，针对字节码指令，对要反复执行的代码，一般称为热点代码，JIT将热点代码编译成机器指令并放到方法区(1.8后叫元空间)缓存起来

JIT即时编译，将热点代码翻译成机器指令并在本地缓存起来，提高程序的反应速度。如果JVM一开始就将所有字节码都翻译成机器指令，需要花费过长的时间，从而导致暂停时间过长，会让程序有段时间出现卡顿现象。为了让暂停时间比较短，就要用到了解释器进行解释执行，因为解释器响应速度快，逐行解释执行字节码。
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7.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，更好的实现跨平台。

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，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。

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Java代码示例：

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操作数栈中的操作过程示例
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JVM的架构模型总结：
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架构。优点是跨平台，指令集小(栈指令集是大概8个字节，寄存器一般是16个字节)，编译器容易识别实现，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(准确来说应该是HotSpotVM的宿主机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？主要是基于栈式架构的优势来权衡的
栈：
跨平台性、指令集小、指令多、执行性能比寄存器差
寄存器：
跟硬件耦合度高，可移植性差

8.JVM的生命周期

主要有三个状态：启动、执行、退出
虚拟机启动
Java虚拟机的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader)创建一个初始化类(initial class)来完成的，这个类是由虚拟机(不同的虚拟机实现不同)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。
  • 程序开始执行时它才运行，程序结束时他就停止。
  • 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的时一个叫做Java虚拟机的进程。

虚拟机的退出
有如下几种情况：

  • 程序经常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到了异常或者错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致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。

    JVM发展历程

  • 1996年Java1.0版本，Sun公司发布Sun ClassicVM的Java虚拟机,世界上第一款商用Java虚拟机，在JDK1.4时被淘汰

  • Exact VM，jdk1.2时，sun提供的虚拟机
  • HotSpot VM jdk1.3到至今都在使用的虚拟机，Oracle JDK和OpenJDK的默认虚拟机
  • BEA的JRockit（2008年BEA被oracle收购了）专注于服务器端应用，其内部不包含解释器的实现，JRockit JVM是世界上最快的JVM
  • IBM 的 J9
  • TaoBaoJVM 由AliJVM团队发布。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。