JVM整体知识体系深度学习
一、JVM与Java体系结构。
前言
是否遇到过一下问题。
运行的线上系统突然卡死,系统无法访问,甚至直接OOM【OutOfMemory 内存溢出】JVM GC问题新项目上线前、JVM参数设置。JVM面试原理概念性东西不清楚。调优、GC问题等解决方案不了解。
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,是设计高拓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。
学习参考文章书目:
1、官网文档: The Java Virtual Machine Specification Java SE X Edition
2、深入理解Java虚拟机 (JVM高级特性与最佳实践) 资源地址 包含官方文档
1.1、JVM简介
Java Virtual Machine【Java虚拟机】
所谓虚拟机、就是一台虚拟的计算机。他是一款软件。用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上。虚拟机可分为系统虚拟机和程序虚拟机。而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字节码页未必由Java语言编译而成【体现了跨语言性】,JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回收器,以及可靠的及时编译器。
【Java技术的核心就是Java虚拟机】因为所有Java程序都运行在Java虚拟机内部。
比较有名的VisualBox、VMware就属于系统虚拟机,他们完全是对物理计算机的仿真,提供了一个可运行完成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。
如果说Java是跨平台的语言、那么JVM就可以说是跨语言的平台。体现如下图。
主流虚拟机:HotSpot 【Oracle】、JRockit 【Oracle】、J9 【IBM】.
1.2、JVM的位置
JVM是运行在操作系统之上的,它与硬件没有直接的交互。
1.3、JVM整体结构
【简单理解】Class文件通过ClassLoader装载到内存区域进行处理。多线程共享方法区和堆。栈和程序计数器单独运行。程序整体转变为机器指令则是通过执行引擎进行处理。
【复习Java代码执行过程】
1.4、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。
两种架构之间的区别
基于栈式架构的特点 避开了寄存器的分配难题:使用零地址指令方式分配。设计和实现更简单,适用于资源受限的系统;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 基于寄存器的架构特点 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。
//测试代码package com.max.jvm;public class StackStruTest {public static void main(String[] args) {int i = 1;int j = 2;int count =i + j;System.out.println(count);}}
//基于栈架构模型//终端执行反编译。 javap -v StackStruTest.classpublic static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=4, args_size=10: iconst_1 //常量1入栈1: istore_12: iconst_2 //常量2入栈3: istore_24: iload_15: iload_26: iadd//常量1、2出栈 执行降价7: istore_3 //结果3入栈8: getstatic#2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;11: iload_312: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V15: returnLineNumberTable:line 6: 0line 7: 2line 8: 4line 9: 8line 11: 15LocalVariableTable:Start Length Slot Name Signature0160 args [Ljava/lang/String;2141i I4122j I8 83 count I}
//基于寄存器架构模型mov eax,2 //讲eax寄存器的值设为1add eax,3 //将eax寄存器的值加3
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,指令多、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。
1.5、JVM生命周期
1、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。
2、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。
3、虚拟机的退出。
有以下几种情况
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的exit或者halt操作。除此之外 JNI(Java Native Interface)规范描述了 JNI API来加载或卸载Java虚拟机时、Java虚拟机的推出情况。
1.6、JVM发展历程
1、Sun Classic VM
早在1996年Java1.o版本的时候,Sun公司发布了一款名为sun classicVM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。这款虚拟机内部只提供解释器。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。
现在hotspot内置了此虚拟机。
【这代还没有兼容解释器和JIT、所以早期给人的印象是比较慢的。当时考虑因为两者不能共同工作那么必定选其一。 如果单纯使用外挂JIT的话,那么处理字节码文件前置时间会比较长。根源就在于它把所有信息当成热点代码进行处理了。
两者形象的例子就像:去某个地方。走路去和坐公交去。走路虽然慢、但少了等车的不确定时间。坐公交反之亦然。】
2、Exact VM
为了解决上一个虚拟机问题,jdkl.2时,sun提供了此虚拟机。Exact Memory Management:准确式内存管理也可以叫Non-Cconservative/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。
具备现代高性能虚拟机的雏形
热点探测
编译器与解释器混合工作模式
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
3、HotSpot VM
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;,sun公司被甲骨文收购。JDK1.3时,HotSpot VM成为默认虚拟机。
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拟机都没有方法区的概念)
从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。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
4、JRockit
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。
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%)。
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。MissionControl服务套件【JMC 用于监控内存泄漏】,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。,BEA被oracle收购。oracle表达了整合两大优秀虚拟机的工作,大致在JDK 8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上,移植JRockit的优秀特性。
5、J9
全称:IBM Technology for Java virtual Machine,简称IT4J,内部代号:J9
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。目前,有影响力的三大商用服务器之一,也号称是世界上最快的Java虚拟机。. 左右,IBM发布了开源J9 VM,命名为openJ9,交给Eclipse基金会管理,也称为 Ecilpse openJ9。
6、KVM和CDC/CLDC Hotspot
oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为: CDC/CLDC HotSpot Implementation VMKVM (Kilobyte)是CLDC-HI早期产品目前移动领域地位尴尬,智能手机被Android和ioS二分天下。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 所有的虚拟机的原则:一次编译,到处运行。7、Azul VM
前面三大“高性能Java虚拟机”使用在通用硬件平台上这里Azul VM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r战斗机。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。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。,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。8、Liquid VM
高性能Java虚拟机中的战斗机。BEA公司开发的,直接运行在自家Hypervisor系统上Liquid VM即是现在的JRockit VE(Virtual Edition) ,LiquidVM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。随着JRockit虚拟机终止开发,Liquid VM项目也停止了。9、Apache Harmony
Apache也曾经推出过与JDK 1.5和JDK 1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony。它是IBM和Intel联合开发的开源JVM,受到同样开源的openJDK的压制, sun坚决不让Harmony获得JCP认证,最终于退役,IBM转而参与openJDK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。10、Microsoft JVM
微软为了在IE3浏览器中支持Java Applets,开发了Microsoft JVM。只能在window平台下运行。但确是当时windows下性能最好的Java VM。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。微软在windowsXP SP3中抹掉了其VM。现在windows上安装的jdk都是Hotspot。11、Taobao JVM
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。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。 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 taobao vm应用在阿里产品上性能高,硬件严重依赖intel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。