1.jvm前言

作為Java工程師的你曾被傷害過嗎？你是否也遇到過這些問題？

• 運(yùn)行著的線上系統(tǒng)突然卡死，系統(tǒng)無法訪問，甚至直接OOM！
• 想解決線上JVM GC問題，但卻無從下手。
• 新項(xiàng)目上線，對各種JVM參數(shù)設(shè)置一臉茫然，直接默認(rèn)吧然后就GG了
• 每次面試之前都要重新背一遍JVM的一些原理概念性的東西，然而面試官卻經(jīng)常問你在實(shí)際項(xiàng)目中如何調(diào)優(yōu)VM參數(shù)，如何解決GC、OOM等問題，一臉懵逼。

2.開發(fā)人員的病態(tài)

• 大部分Java開發(fā)人員，除了會(huì)在項(xiàng)目中使用到與Java平臺(tái)相關(guān)的各種高精尖技術(shù)，對于Java技術(shù)的核心Java虛擬機(jī)了解甚少。
• 一些有一定工作經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員，打心眼兒里覺得SSM、微服務(wù)等上層技術(shù)才是重點(diǎn)，基礎(chǔ)技術(shù)并不重要，這其實(shí)是一種本末倒置的“病態(tài)”。如果我們把核心類庫的API比做數(shù)學(xué)公式的話，那么Java虛擬機(jī)的知識(shí)就好比公式的推導(dǎo)過程。
• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系對我們來說越來越遠(yuǎn)，在不了解底層實(shí)現(xiàn)方式的前提下，通過高級語言很容易編寫程序代碼。但事實(shí)上計(jì)算機(jī)并不認(rèn)識(shí)高級語言

3.架構(gòu)師在想什么

架構(gòu)師每天都在思考什么？

1. 應(yīng)該如何讓我的系統(tǒng)更快？
2. 如何避免系統(tǒng)出現(xiàn)瓶頸？

知乎上有條帖子：應(yīng)該如何看招聘信息，直通年薪50萬+？

• 參與現(xiàn)有系統(tǒng)的性能優(yōu)化，重構(gòu)，保證平臺(tái)性能和穩(wěn)定性
• 根據(jù)業(yè)務(wù)場景和需求，決定技術(shù)方向，做技術(shù)選型
• 能夠獨(dú)立架構(gòu)和設(shè)計(jì)海量數(shù)據(jù)下高并發(fā)分布式解決方案，滿足功能和非功能需求
• 解決各類潛在系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，核心功能的架構(gòu)與代碼編寫
• 分析系統(tǒng)瓶頸，解決各種疑難雜癥，性能調(diào)優(yōu)等

4.為什么學(xué)習(xí)jvm

1. 面試的需要（BATJ、TMD，PKQ等面試都愛問）
2. 中高級程序員必備技能：項(xiàng)目管理、調(diào)優(yōu)的需求
3. 追求極客的精神，比如：垃圾回收算法、JIT（即時(shí)編譯器）、底層原理

5.Java VS C++

• 垃圾收集機(jī)制為我們打理了很多繁瑣的工作，大大提高了開發(fā)的效率，但是，垃圾收集也不是萬能的，懂得JVM內(nèi)部的內(nèi)存結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制，是設(shè)計(jì)高擴(kuò)展性應(yīng)用和診斷運(yùn)行時(shí)問題的基礎(chǔ)，也是Java工程師進(jìn)階的必備能力。
• C語言需要自己來分配內(nèi)存和回收內(nèi)存，Java全部交給JVM進(jìn)行分配和回收。

6.TIOBE 排行榜

TIOBE 排行榜：https://www.tiobe.com/tiobe-index/

7.Java 生態(tài)圈

Java是目前應(yīng)用最為廣泛的軟件開發(fā)平臺(tái)之一。隨著Java以及Java社區(qū)的不斷壯大Java 也早已不再是簡簡單單的一門計(jì)算機(jī)語言了，它更是一個(gè)平臺(tái)、一種文化、一個(gè)社區(qū)。

• 作為一個(gè)平臺(tái)，Java虛擬機(jī)扮演著舉足輕重的作用
  • Groovy、Scala、JRuby、Kotlin等都是Java平臺(tái)的一部分
• 作為一種文化，Java幾乎成為了'開源'的代名詞。
  • 第三方開源軟件和框架。如Tomcat、Struts，MyBatis，Spring等。
  • 就連JDK和JVM自身也有不少開源的實(shí)現(xiàn)，如openJDK、Harmony。
• 作為一個(gè)社區(qū)，Java擁有全世界最多的技術(shù)擁護(hù)者和開源社區(qū)支持，有數(shù)不清的論壇和資料。從桌面應(yīng)用軟件、嵌入式開發(fā)到企業(yè)級應(yīng)用、后臺(tái)服務(wù)器、中間件，都可以看到Java的身影。其應(yīng)用形式之復(fù)雜、參與人數(shù)之眾多也令人咋舌。

8.Java的跨平臺(tái)性

• 每個(gè)語言都需要轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼文件，最后轉(zhuǎn)換的字節(jié)碼文件都能通過Java虛擬機(jī)進(jìn)行運(yùn)行和處理
• 隨著Java7的正式發(fā)布，Java虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)者們通過JSR-292規(guī)范基本實(shí)現(xiàn)在Java虛擬機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行非Java語言編寫的程序。
• Java虛擬機(jī)根本不關(guān)心運(yùn)行在其內(nèi)部的程序到底是使用何種編程語言編寫的，它只關(guān)心“字節(jié)碼”文件。也就是說Java虛擬機(jī)擁有語言無關(guān)性，并不會(huì)單純地與Java語言“終身綁定”，只要其他編程語言的編譯結(jié)果滿足并包含Java虛擬機(jī)的內(nèi)部指令集、符號表以及其他的輔助信息，它就是一個(gè)有效的字節(jié)碼文件，就能夠被虛擬機(jī)所識(shí)別并裝載運(yùn)行。

9.字節(jié)碼

• 我們平時(shí)說的java字節(jié)碼，指的是用java語言編譯成的字節(jié)碼。準(zhǔn)確的說任何能在jvm平臺(tái)上執(zhí)行的字節(jié)碼格式都是一樣的。所以應(yīng)該統(tǒng)稱為：jvm字節(jié)碼。
• 不同的編譯器，可以編譯出相同的字節(jié)碼文件，字節(jié)碼文件也可以在不同的JVM上運(yùn)行。
• Java虛擬機(jī)與Java語言并沒有必然的聯(lián)系，它只與特定的二進(jìn)制文件格式——Class文件格式所關(guān)聯(lián)，Class文件中包含了Java虛擬機(jī)指令集（或者稱為字節(jié)碼、Bytecodes）和符號表，還有一些其他輔助信息。

10.多語言混合編程

• Java平臺(tái)上的多語言混合編程正成為主流，通過特定領(lǐng)域的語言去解決特定領(lǐng)域的問題是當(dāng)前軟件開發(fā)應(yīng)對日趨復(fù)雜的項(xiàng)目需求的一個(gè)方向。
• 試想一下，在一個(gè)項(xiàng)目之中，并行處理用Clojure語言編寫，展示層使用JRuby/Rails，中間層則是Java，每個(gè)應(yīng)用層都將使用不同的編程語言來完成，而且，接口對每一層的開發(fā)者都是透明的，各種語言之間的交互不存在任何困難，就像使用自己語言的原生API一樣方便，因?yàn)樗鼈冏罱K都運(yùn)行在一個(gè)虛擬機(jī)之上。
• 對這些運(yùn)行于Java虛擬機(jī)之上、Java之外的語言，來自系統(tǒng)級的、底層的支持正在迅速增強(qiáng)，以JSR-292為核心的一系列項(xiàng)目和功能改進(jìn)（如DaVinci Machine項(xiàng)目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等），推動(dòng)Java虛擬機(jī)從'Java語言的虛擬機(jī)'向'多語言虛擬機(jī)'的方向發(fā)展。

11.自己寫個(gè)jvm

• Java虛擬機(jī)非常復(fù)雜，要想真正理解它的工作原理，最好的方式就是自己動(dòng)手編寫一個(gè)！
• 自己動(dòng)手寫一個(gè)Java虛擬機(jī)，難嗎？
• 天下事有難易乎？為之，則難者亦易矣；不為，則易者亦難矣

12.Java的重大事件

• 1990年，在Sun計(jì)算機(jī)公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling領(lǐng)導(dǎo)的小組Green Team，開發(fā)出的新的程序語言，命名為Oak，后期命名為Java
• 1995年，Sun正式發(fā)布Java和HotJava產(chǎn)品，Java首次公開亮相。
• 1996年1月23日Sun Microsystems發(fā)布了JDK 1.0。
• 1998年，JDK1.2版本發(fā)布。同時(shí)，Sun發(fā)布了JSP/Servlet、EJB規(guī)范，以及將Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。這表明了Java開始向企業(yè)、桌面應(yīng)用和移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用3大領(lǐng)域挺進(jìn)。
• 2000年，JDK1.3發(fā)布，Java HotSpot Virtual Machine正式發(fā)布，成為Java的默認(rèn)虛擬機(jī)。
• 2002年，JDK1.4發(fā)布，古老的Classic虛擬機(jī)退出歷史舞臺(tái)。
• 2003年年底，Java平臺(tái)的scala正式發(fā)布，同年Groovy也加入了Java陣營。
• 2004年，JDK1.5發(fā)布。同時(shí)JDK1.5改名為JavaSE5.0。
• 2006年，JDK6發(fā)布。同年，Java開源并建立了OpenJDK。順理成章，Hotspot虛擬機(jī)也成為了OpenJDK中的默認(rèn)虛擬機(jī)。
• 2007年，Java平臺(tái)迎來了新伙伴Clojure。
• 2008年，oracle收購了BEA，得到了JRockit虛擬機(jī)。
• 2009年，Twitter宣布把后臺(tái)大部分程序從Ruby遷移到Scala，這是Java平臺(tái)的又一次大規(guī)模應(yīng)用。
• 2010年，Oracle收購了Sun，獲得Java商標(biāo)和最真價(jià)值的HotSpot虛擬機(jī)。此時(shí)，Oracle擁有市場占用率最高的兩款虛擬機(jī)HotSpot和JRockit，并計(jì)劃在未來對它們進(jìn)行整合：HotRockit
• 2011年，JDK7發(fā)布。在JDK1.7u4中，正式啟用了新的垃圾回收器G1。
• 2017年，JDK9發(fā)布。將G1設(shè)置為默認(rèn)GC，替代CMS
• 同年，IBM的J9開源，形成了現(xiàn)在的Open J9社區(qū)
• 2018年，Android的Java侵權(quán)案判決，Google賠償Oracle計(jì)88億美元
• 同年，Oracle宣告JavagE成為歷史名詞JDBC、JMS、Servlet贈(zèng)予Eclipse基金會(huì)
• 同年，JDK11發(fā)布，LTS版本的JDK，發(fā)布革命性的ZGC，調(diào)整JDK授權(quán)許可
• 2019年，JDK12發(fā)布，加入RedHat領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的Shenandoah GC

13.虛擬機(jī)介紹

13.1 虛擬機(jī)概念

所謂虛擬機(jī)（Virtual Machine），就是一臺(tái)虛擬的計(jì)算機(jī)。它是一款軟件，用來執(zhí)行一系列虛擬計(jì)算機(jī)指令。大體上，虛擬機(jī)可以分為系統(tǒng)虛擬機(jī)和程序虛擬機(jī)。

• 大名鼎鼎的Virtual Box，VMware就屬于系統(tǒng)虛擬機(jī)，它們完全是對物理計(jì)算機(jī)的仿真，提供了一個(gè)可運(yùn)行完整操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。
• 程序虛擬機(jī)的典型代表就是Java虛擬機(jī)，它專門為執(zhí)行單個(gè)計(jì)算機(jī)程序而設(shè)計(jì)，在Java虛擬機(jī)中執(zhí)行的指令我們稱為Java字節(jié)碼指令。
• 無論是系統(tǒng)虛擬機(jī)還是程序虛擬機(jī)，在上面運(yùn)行的軟件都被限制于虛擬機(jī)提供的資源中。

13.2 Java虛擬機(jī)

• Java虛擬機(jī)是一臺(tái)執(zhí)行Java字節(jié)碼的虛擬計(jì)算機(jī)，它擁有獨(dú)立的運(yùn)行機(jī)制，其運(yùn)行的Java字節(jié)碼也未必由Java語言編譯而成。
• JVM平臺(tái)的各種語言可以共享Java虛擬機(jī)帶來的跨平臺(tái)性、優(yōu)秀的垃圾回器，以及可靠的即時(shí)編譯器。
• Java技術(shù)的核心就是Java虛擬機(jī)（JVM，Java Virtual Machine），因?yàn)樗械腏ava程序都運(yùn)行在Java虛擬機(jī)內(nèi)部。
• Java虛擬機(jī)就是二進(jìn)制字節(jié)碼的運(yùn)行環(huán)境，負(fù)責(zé)裝載字節(jié)碼到其內(nèi)部，解釋/編譯為對應(yīng)平臺(tái)上的機(jī)器指令執(zhí)行。每一條Java指令，Java虛擬機(jī)規(guī)范中都有詳細(xì)定義，如怎么取操作數(shù)，怎么處理操作數(shù)，處理結(jié)果放在哪里。

特點(diǎn)

1. 一次編譯，到處運(yùn)行
2. 自動(dòng)內(nèi)存管理
3. 自動(dòng)垃圾回收功能

14.jvm的位置

JVM是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒有直接的交互

Java的體系結(jié)構(gòu)

15.jvm的整體結(jié)構(gòu)

• HotSpot VM是目前市面上高性能虛擬機(jī)的代表作之一。
• 它采用解釋器與即時(shí)編譯器并存的架構(gòu)。
• 在今天，Java程序的運(yùn)行性能早已脫胎換骨，已經(jīng)達(dá)到了可以和C/C++程序一較高下的地步。
• 執(zhí)行引擎包含三部分：解釋器，即時(shí)編譯器，垃圾回收器

16.Java代碼執(zhí)行流程

17.JVM架構(gòu)模型

Java編譯器輸入的指令流基本上是一種基于棧的指令集架構(gòu)，另外一種指令集架構(gòu)則是基于寄存器的指令集架構(gòu)。具體來說：這兩種架構(gòu)之間的區(qū)別：

• 基于棧式架構(gòu)的特點(diǎn)
  • 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更簡單，適用于資源受限的系統(tǒng)
  • 避開了寄存器的分配難題：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，其執(zhí)行過程依賴于操作棧。指令集更小，編譯器容易實(shí)現(xiàn)
  • 不需要硬件支持，可移植性更好，更好實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)
• 基于寄存器架構(gòu)的特點(diǎn)
  • 典型的應(yīng)用是x86的二進(jìn)制指令集：比如傳統(tǒng)的PC以及Android的Davlik虛擬機(jī)。
  • 指令集架構(gòu)則完全依賴硬件，與硬件的耦合度高，可移植性差
  • 性能優(yōu)秀和執(zhí)行更高效
  • 花費(fèi)更少的指令去完成一項(xiàng)操作
  • 在大部分情況下，基于寄存器架構(gòu)的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令為主，而基于棧式架構(gòu)的指令集卻是以零地址指令為主

17.1 兩種架構(gòu)的舉例

同樣執(zhí)行2+3這種邏輯操作，其指令分別如下：

• 基于棧的計(jì)算流程（以Java虛擬機(jī)為例）

iconst_2 //常量2入棧
istore_1
iconst_3 // 常量3入棧
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出棧，執(zhí)行相加
istore_0 // 結(jié)果5入棧

• 基于寄存器的計(jì)算流程

mov eax,2 //將eax寄存器的值設(shè)為1
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

17.2 反編譯字節(jié)碼文件

/**
 * @author xiexu
 * @create 2020-11-18 10:14 上午
 */
public class StackStruTest {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;
    }

}

javap -v StackStruTest.class

反編譯得到的指令

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2  // 將常量 2 壓入棧中
         1: istore_1  // 將常量 2 保存至變量 i 中
         2: iconst_3  // 將常量 3 壓入棧中
         3: istore_2  // 將常量 3 保存至變量 j 中
         4: iload_1   // 加載變量 i
         5: iload_2   // 加載變量 j
         6: iadd      // 執(zhí)行累加操作
         7: istore_3  // 加法結(jié)果保存在變量 k 中
         8: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 2
        line 12: 4
        line 13: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            2       7     1     i   I
            4       5     2     j   I
            8       1     3     k   I
}

17.3 總結(jié)

• 由于跨平臺(tái)性的設(shè)計(jì)，Java的指令都是根據(jù)棧來設(shè)計(jì)的。不同平臺(tái)CPU架構(gòu)不同，所以不能設(shè)計(jì)為基于寄存器的。優(yōu)點(diǎn)是跨平臺(tái)，指令集小，編譯器容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是性能下降，實(shí)現(xiàn)同樣的功能需要更多的指令
• 時(shí)至今日，盡管嵌入式平臺(tái)已經(jīng)不是Java程序的主流運(yùn)行平臺(tái)了（準(zhǔn)確來說應(yīng)該是HotSpot VM的宿主環(huán)境已經(jīng)不局限于嵌入式平臺(tái)了），那么為什么不將架構(gòu)更換為基于寄存器的架構(gòu)呢？
• 因?yàn)榛跅５募軜?gòu)跨平臺(tái)性好、指令集小，雖然相對于基于寄存器的架構(gòu)來說，基于棧的架構(gòu)編譯得到的指令更多，執(zhí)行性能也不如基于寄存器的架構(gòu)好，但考慮到其跨平臺(tái)性與移植性，我們還是選用棧的架構(gòu)

棧：跨平臺(tái)性、指令集小、指令多；執(zhí)行性能比寄存器差

18.jvm生命周期

• 虛擬機(jī)的啟動(dòng)
  • Java虛擬機(jī)的啟動(dòng)是通過引導(dǎo)類加載器（bootstrap class loader）創(chuàng)建一個(gè)初始類（initial class）來完成的，這個(gè)類是由虛擬機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)指定的。
• 虛擬機(jī)的執(zhí)行
  • 一個(gè)運(yùn)行中的Java虛擬機(jī)有著一個(gè)清晰的任務(wù)：執(zhí)行Java程序
  • 程序開始執(zhí)行時(shí)他才運(yùn)行，程序結(jié)束時(shí)他就停止
  • 執(zhí)行一個(gè)所謂的Java程序的時(shí)候，真真正正在執(zhí)行的是一個(gè)叫做Java虛擬機(jī)的進(jìn)程
• 虛擬機(jī)的退出
  • 程序正常執(zhí)行結(jié)束
  • 程序在執(zhí)行過程中遇到了異?；蝈e(cuò)誤而異常終止
  • 由于操作系統(tǒng)用現(xiàn)錯(cuò)誤而導(dǎo)致Java虛擬機(jī)進(jìn)程終止
  • 某線程調(diào)用Runtime類或System類的exit( )方法，或Runtime類的halt( )方法，并且Java安全管理器也允許這次exit( )或halt( )操作。
  • 除此之外，JNI（Java Native Interface）規(guī)范描述了用JNI Invocation API來加載或卸載 Java虛擬機(jī)時(shí)，Java虛擬機(jī)的退出情況。