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大白话+手绘图带你认识 JVM,JVM到底是什么?
大白话带你认识JVM
Java核心
Java虚拟机
JVM是Java程序执行的环境,它隐藏了底层操作系统和硬件的复杂性,提供了一个统一、稳定和安全的运行平台。
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keywords
Java,JavaSE,教程,二哥的Java进阶之路,jvm,Java虚拟机

第一节:大白话带你认识 JVM

“二哥,之前你讲 Java 的第一行代码 hello world 的时候就提到了 JVM,那时候我就想知道 JVM 到底是什么,但你说这是一块非常大的内容,会放到后面专门来讲,那学完了 Java 基础知识,又学完了并发编程,今天我们就来学习 JVM 吧?”三妹咪了一口麦香可可奶茶后对我说。

“好的,三妹,这篇内容就来带你认识一下什么是 JVM, JVM 是 Java 体系中非常重要,又有一些难度的知识,但每个想要更加优秀的程序员都应该掌握它。尤其是想去大厂或者中厂的球友,更应该掌握它,因为 JVM 在大中厂面试的时候,比重很大,我随便从《Java 面试指南》中截张图大家感受一下。”我回答。

“JVM 在校招面试中的比重还是非常大的;同时,对于工作党来说,如果项目遇到内存泄露、CPU飙升的问题,也需要通过 JVM 的性能监控进行定位和解决。好,那就让我们开始吧!”我继续补充道。

三妹,你看过《Java 发展简史》应该知道,Sun 在 1991 年成立了一个由詹姆斯·高斯林(James Gosling)领导的,名为“Green”的项目组,目的是开发一种能够在各种消费性电子产品上运行的程序架构。

一开始,项目组打算使用 C++,但 C++ 无法达到跨平台的要求,比如在 Windows 系统下编译的 Hello.exe 无法直接拿到 Linux 环境下执行。

在当时,C++ 已经非常流行了,但无法跨平台,只能忍痛割爱了。

怎么办呢?

三妹不知道有没有听过直译器(解释器)这玩意?(估计你没听过)就是每跑一行代码就生成机器码,然后执行,比如说 Python 和 Ruby 用的就是直译器。

“那在每个操作系统上装一个直译器就好了,跨平台的目的就达到了啊。”三妹插话道。

“但直译器有个缺点,就是没法像编译器那样对一些热点代码进行优化,从而让程序在机器上跑得更快一些。”我回答说。

怎么办呢?

来个结合体呗,编译器和直译器一块上!

编译器负责把 Java 源代码编译成字节码,Java 虚拟机负责把字节码转换成机器码。转换的时候,可以做一些压缩或者优化,通过 JIT 来完成,这样的程序跑起来就快多了。

  • Java 虚拟机:Java Virtual Machine,简称 JVM,也就是我们接下来要学习的重点。
  • 字节码:Bytecode,接下来会细讲。
  • JIT:Just-In-Time,即时编译器,后面会细讲。

这样的话,不仅跨平台的目的达到了,而且性能得到了优化,两全其美!

“为什么 Java 虚拟机会叫 Java 虚拟机呢?”三妹问了一个很古怪的问题。

虚拟机,顾名思义,就是虚拟的机器(多苍白的解释),反正就是看不见摸不着的机器,一个相对物理机的叫法,你把它想象成一个会执行字节码的怪兽吧。

记得上大学那会,由于没有 Linux 环境,但又需要在上面玩一些命令,于是我就会在 Windows 上装一个 Linux 的虚拟机,这个 JVM 就类似这种东西。

说白了,就是我们编写 Java 代码,编译 Java 代码,目的不是让它在 Linux、Windows 或者 MacOS 上跑,而是在 JVM 上跑。

JVM 家族

我刚讲完这些,三妹就问:“都有哪些 Java 虚拟机呢?”

来看下面这张思维导图,一目了然。

除了我们经常看到、听到的 Hotspot VM,还有很多,下面我来简单介绍一下。

  • Sun Classic:世界上第一款商用 Java 虚拟机,但执行效率低下,导致 Java 程序的性能和 C/C++ 存在很大差距,因此给后来者留下了“Java 语言很慢”的刻板印象。
  • Exact VM:为了提升 Classic 的效率,Sun 的虚拟机团队曾在 Solaris(Sun 研发的一款类似 Unix 的操作系统)上发布过这款虚拟机,它的执行系统里包含有热点探测、即时编译等,但不是很成熟。Sun Classic 在 JDK 1.4 的时候被彻底抛弃,而 Exact VM 被抛弃得更早,取代它的正是 HotSpot VM——时也命也。
  • Mobile VM:Java 在移动手机端(被 Android 和 IOS 二分天下)的发展并没有那么成功,因此 Mobile VM 的声望值比较低。
  • Embedded VM:嵌入式设备上的虚拟机。
  • BEA JRockit:曾经号称是“世界上最快的 Java 虚拟机”,后来被 Oracle 收购后就没有声音了。
  • IBM J9 VM:提起 IBM,基本上所有程序员都知道了,也是个巨头,所以他家的虚拟机也很强,在职责分离和模块化上做得比 HotSpot 更好。目前已经开源给 Eclipse 基金会。
  • BEA Liquid VM:是 BEA 公司开发的可以直接运行在自家系统上的虚拟机,可以越过操作系统直接和硬件打交道,因此可以更大程度上的发挥硬件的能力。不过核心用的还是 JRockit,所以伴随着 JRockit 的消失,Liquid VM 也退出历史舞台了。
  • Azul VM:是 Azul 公司在 HotSpot 基础上进行大量改进后的,可以运行在 Azul 公司专有硬件上的虚拟机。2010 年起,Azul 公司的重心从硬件转移到软件上,并发布了 Zing 虚拟机,性能方面很强大。
  • Apache Harmony 和 Google Android Dalvik VM 并不是 严格意义上的 Java 虚拟机,但对 Java 虚拟机的发展起到了很大的刺激作用。但它们终究没有熬过时间。
  • Microsoft JVM:在早期的 Java Applets 年代,微软为了在 IE 中支持 Applets 开发了自己的 Java 虚拟机。你敢相信?Microsoft JVM 只有 Windows 版本,它与 JVM 实现的“一次编译,到处运行”的理念完全沾不上边。关键是,1997 年 10 月,Sun 公司因为这事把微软告了,最后微软赔给了 Sun 公司 2000 万美金,并且终止了在 Java 虚拟机方面的发展。如果,我是说如果,如果微软保持着对 Java 的热情,后面还有 .Net 什么事?

最后再来讲一下:HotSpot VM,OracleJDK(商用)和 OpenJDK(开源)的默认虚拟机,也是目前使用最广泛的 Java 虚拟机,也就是传说中的太子,Java 虚拟机中的嫡长子。

HotSpot 的技术优势就在于热点代码探测技术(名字就从这来的)和准确式内存管理技术,但其实这两个技术在 Exact VM 中都有体现,因此你看起个好的名字多重要(开玩笑了,这就是命)。

热点代码探测,指的是,通过执行计数器找出最具有编译价值的代码,然后通知即时编译器以方法为单位进行编译,解释器就可以不再逐行的将字节码翻译成机器码,而是将一整个方法的所有字节码翻译成机器码再执行。

这样的话,效率就提高了很多,对吧?也就是我们后面会讲到的 JIT 技术

JVM 的组织架构

“JVM 的组织架构是什么样子的呢?它由哪些单位组成的呢?”三妹继续追问到。

JVM 大致可以划分为三个部门,分别是类加载器(Class Loader)、运行时数据区(Runtime Data Areas)和执行引擎(Excution Engine),见下图。

这三个部门具体又是干什么的,可以通过下面这幅图来了解。

类加载器

类加载器是 JVM 最有权威的一个部门,相当于明朝张居正时期的内阁,大全独揽,朝廷想干什么,都得经过我这关。

好,类加载器用来加载类文件,也就是 .class 文件。如果类文件加载失败,也就没有运行时数据区和执行引擎什么事了,它们什么也干不了。

类加载器负责将字节码文件加载到内存中,主要会经历加载->连接->实例化这三个阶段,我们会放在后面的章节单独来讲

运行时数据区

运行时数据区就相当于明朝时期的国库,国库里有钱,那接下来的执行引擎就能够继续执行字节码,国库里没钱就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

JVM 定义了 Java 程序运行期间需要使用到的内存区域,简单来说,这块内存区域存放了字节码信息以及程序执行过程的数据,垃圾收集器也会针对运行时数据区进行对象回收的工作。看下面这张图就能理解(JVM 规范):

运行时数据区通常包括:方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈以及程序计数器五个部分。不过,运行时数据区的划分也随着JDK的发展不断变迁,JDK 1.6、JDK 1.7、JDK 1.8 的内存划分都会有所不同。

我们会在后面的章节单独来讲

执行引擎

执行引擎(Execution Engine)就好像明朝时期的六部,主要用来干具体的事,“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念,这两种机器都有代码执行能力,其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的,而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的,因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构关系,能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

执行引擎的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说,JVM 中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

  • 解释器:读取字节码,然后执行指令。因为它是一行一行地解释和执行指令,所以它可以很快地解释字节码,但是执行起来会比较慢(毕竟要一行执行完再执行下一行)。
  • 即时编译器:执行引擎首先按照解释执行的方式来执行,随着时间推移,即时编译器会选择性的把一些热点代码编译成本地代码。执行本地代码比一条一条进行解释执行的速度快很多,因为本地代码是保存在缓存里的。
  • 垃圾回收器,用来回收堆内存中的垃圾对象。

这些内容我们都会在后面的章节里单独来细讲。

小结

“三妹,关于 JVM 是什么的话题我们就先讲到这,后面再展开细讲其中的每一个细节,怎么样?”转动了一下僵硬的脖子后,我对三妹说,“JVM 是一块很大很深的内容,如果一上来学太多的话,我怕难倒你(😁)。”

“好的,二哥,我也觉得今天的知识量够了,我要好好消化几天。我会加油的!”三妹似乎对未来充满了希望,这正是我想看到的。

总的来说,JVM 是 Java 程序执行的环境,它隐藏了底层操作系统和硬件的复杂性,提供了一个统一、稳定和安全的运行平台。

我们把 Java 源代码编译后的字节码文件扔给它,它就可以在 JVM 中执行,不管是在 Windows、Linux 还是 MacOS 环境下编译的,它都可以跑,屏蔽了底层操作系统的差异。


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