跳至主要內容

Java虚拟机概述

会敲代码的程序猿原创JVMJVM大约 9 分钟

Java虚拟机概述

Java虚拟机（Java Virtual Machine，简称JVM）是运行所有Java程序的虚拟计算机，是Java平台的核心实现。 它提供了一种独立于底层硬件和操作系统的运行环境，使Java程序能够在任何安装了JVM的系统上执行。 JVM通过将Java字节码（.class文件）转换为机器码来实现跨平台运行，这一特性被称为“Write Once, Run Anywhere”。

跨平台开发的通用平台

随着发展，JVM不再是Java独享的Moment，越来越多的语言开始在JVM上运行，使JVM逐渐演变成一个跨平台开发的通用平台。

jvm-class
jvm-class

JVM本质上只关心.class的字节码文件，而不关心源代码是用什么语言编写的。

Java虚拟机家族

虚拟机始祖：Sun Classic/Exact VM（Sun/Oracle公司）

  • Classic VM：
    • 1996年1月23日，Sun发布JDK 1.0，正式商用，最早的Java虚拟机实现
    • 纯解释器，可外挂即时编译器（JIT），但只能二选一
    • 直到JDK 1.4，才完全退出商用虚拟机的历史舞台
  • Exact VM：
    • 在JDK 1.2时，在Solaris平台发布，是Classic VM的改进版
    • 因准确式内存管理（Exact Memory Management）而得名，是垃圾收集时准确判断堆上数据的前提
    • 它的编译执行系统已经具备现代高性能虚拟机雏形
      • 如热点探测、两级即时编译器、编译器与解释器混合工作模式等

武林盟主：HotSpot VM（Sun/Oracle公司）

  • HotSpot VM
    • 从JDK 1.3至今（2024），HotSpot VM成为默认虚拟机，目前使用最广泛
    • HotSpot VM集成了Sun以上两款虚拟机优点（准确式内存管理，热点代码探测技术...）
    • Oracle收购Sun以后，建立HotRockit项目，把BEA JRocki优秀特性融合到HotSpot之中
    • 2014年JDK 8时期，HotSpot移除掉永久代，吸收了JRockit的Java Mission Control监控工具等功能

小家碧玉：Mobile/Embedded VM（Sun/Oracle公司）

专门为移动设备和嵌入式设备设计的Java虚拟机（JavaME）

  • KVM（Kilobyte Virtual Machine）:

    • 用于早期的移动设备，但智能手机市场已被Android和iOS主导

  • CDC（Connected Device Configuration）:

    • 用于功能更强的嵌入式设备，但面临自家Java SE Embedded（eJDK）的竞争
    • 由于Java SE的普及，CDC市场快速萎缩，Oracle基本砍掉了CDC-HI项目，将其划归Java SE Embedded

天下第二：BEA JRockit/IBM J9 VM

  • BEA JRockit:
    • 最初由BEA Systems开发，后被Oracle收购，永远停留在R28（JDK 6版JRockit代号）
    • 专注于服务器硬件和服务端应用场景，不关注启动速度，不包含解释器实现
    • 以其出色的垃圾收集器和性能和诊断工具（如Java Mission Control）著称
  • IBM J9 VM:
    • 全称“IBM Technology for Java Virtual Machine”，简称IT4J，但普遍称为J9
    • 作为通用型JVM，其市场定位接近HotSpot，主要优势在IBM产品上
    • 由IBM开发，2017年开源为OpenJ9open in new window，现由Eclipse基金会维护
    • 模块化设计优于HotSpot
      • 核心组件库（包括垃圾收集器、即时编译器、诊断监控子系统等）构成了IBM OMR项目
      • 可以在其他语言平台如Ruby、Python中快速组装成相应的功能

软硬合璧：BEA Liquid VM/Azul VM（Zing）

  • BEA Liquid VM:

    • 也被称为JRockit VE（Virtual Edition，VE），专为BEA WebLogic实时运行环境设计
    • BEA公司开发的JRockit虚拟机虚拟化版本，可直接运行在自家Hypervisor系统上
    • 不需要操作系统支持，自身实现了必要的操作系统功能（如线程调度、文件系统、网络支持等）
    • 直接控制硬件，避免内核态/用户态切换，最大限度发挥硬件性能，提升Java程序执行效率
    • 随着JRockit虚拟机终止开发，Liquid VM项目也停止了

  • Azul VM:

    • 适用于Azul Systems专有硬件Vega产品线，在HotSpot基础改进
    • 采用PGC和C4收集器，停顿时间可控，每个Azul VM实例可管理数十个CPU和数百GB内存

  • Zing VM:

    • 2010年起，Azul公司重心转向软件，发布Zing虚拟机，基于HotSpot某旧版代码分支
    • 低延迟，配备PGC和C4垃圾收集器
      • 支持TB级别Java堆内存，暂停时间不超过10毫秒
      • HotSpot直到JDK 11和JDK 12的ZGC和Shenandoah收集器才达到类似目标，但效果仍不及C4
    • Zing的ReadyNow（快速预热、启动）！
      • 利用之前收集的性能监控数据，使虚拟机在启动后快速达到高性能水平
      • 减少从解释执行到即时编译的等待时间
    • 易于监控（ZVision/ZVRobot工具）
      • 方便用户监控JVM运行状态，包括代码热点、对象分配监控、锁竞争监控等

挑战者：Apache Harmony/Google Android Dalvik VM

  • Apache Harmony:

    • 一个开源的Java SE实现项目，旨在提供兼容Java SE的JVM及类库。虽然项目已停止，但其代码和理念影响深远
    • Apache软件基金会开源项目，兼容JDK 5和JDK 6，提供自己的虚拟机和Java类库API。
    • 没有通过TCK认证，无法正式称为“Java虚拟机”
    • 曾对Java生态系统构成巨大挑战，导致Apache基金会退出JCP组织
    • 随Sun公司开源OpenJDK，Harmony项目的优势逐渐减弱
    • 主要贡献（如Java类库代码）被吸纳进IBM JDK 7和Google Android SDK

  • Google Android Dalvik VM:

    • Android平台核心虚拟机，名字来源于冰岛的小渔村Dalvik
    • 非Java虚拟机，使用寄存器架构，不直接执行Java Class文件，而是执行DEX文件
    • 通过Class文件转化为DEX文件，支持Java语法和API，推动Android迅速发展
    • Android 2.2引入即时编译器，提升性能
    • Android 4.4开始引入提前编译（Ahead of Time Compilation，AOT）的ART虚拟机
    • Android 5.0开始ART全面替代Dalvik虚拟机

没有成功，但并非失败：Microsoft JVM及其他

  • Microsoft JVM:
    • 微软开发的Java虚拟机，曾用于早期的Windows平台。但由于与Sun的法律纠纷，微软最终停止了其开发
    • 为支持Internet Explorer 3中的Java Applets，开发Microsoft JVM，仅限Windows平台
    • 被认为是当时Windows系统下性能最好的Java虚拟机，1997年和1998年连续获得《PC Magazine》“编辑选择奖”
    • 1997年被Sun公司控告侵犯商标、不正当竞争，最终微软赔偿2000万美元，并承诺停止开发和逐步移除其Java虚拟机
    • 虽然微软的Java虚拟机未能长期发展，但其短暂的成功对当时Java的推广起到了积极作用。

百家争鸣

Java虚拟机架构

理解总体知识点在全局上与知识体系之间的对应关系

Java虚拟机架构
Java虚拟机架构

从整体上看，JVM 由三个不同的组件组成：

  1. 类加载子系统（Class Loader SubSystem）：主要负责将类.class加载到内存中
  2. 运行时数据区（Runtime Data Area）：管理JVM运行时所需的数据结构
  3. 执行引擎（Execution Engine）：负责执行字节码指令，将其转换为机器代码，供机器理解
JVM三大组件
JVM三大组件

第一个组件 类加载过程 分为三个阶段：加载、链接和初始化。

1、加载（Loading）：将类的字节码文件加载到内存中，并生成 JVM 运行时的类表示

  • 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：
    • 负责加载Java的核心类库，如java.lang、java.net、java.util、java.io等
    • 这些类库位于$JAVA_HOME/jre/lib目录中，例如rt.jar
  • 扩展类加载器（Extension Class Loader）：
    • Bootstrap类加载器的子类，同时也是Application类加载器的父类。
    • 它负责加载位于$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的Java标准库的扩展
  • 系统类加载器（Application Class Loader）：
    • Extension类加载器的子类，加载位于类路径上的类文件，默认情况下，类路径为应用程序的目录
    • 可通过添加命令行选项-classpath或-cp来修改类路径

2、链接（Linking）：将类的二进制数据合并到JVM的运行时状态中，分为以下三个步骤：

  • 验证（Verify）：通过一组约束或规则检查.class文件的正确性，验证失败抛出VerifyException
  • 准备（Prepare）：为类或接口的静态字段分配内，存并设置默认初始值
  • 解析（Resolve）：将符号引用替换为常量池中存在的直接引用

3、初始化（Initialization）：执行类的静态初始化块和静态变量的初始化

类加载三个阶段
类加载三个阶段

第二个组件 运行时数据区域 内含有五个数据区域：

  • 线程共享区：
    • 方法区（Method Area）：存储已加载的类信息、常量池、静态变量和即时编译后的代码
    • 堆（Heap Area）：用于动态分配对象实例和数组
  • 线程隔离区：
    • 虚拟机栈（Virtual Machine Stack）：存储局部变量、操作数栈、栈帧和方法调用信息
    • 程序计数器（PC寄存器，Program Counter Register）：存储当前执行的字节码指令的地址
    • 本地方法栈（Native Method Stack）：用于执行本地方法（非Java代码，如C或C++编写的代码）
运行时数据区
运行时数据区

第三个组件 执行引擎 包含解释器、编译器和垃圾回收区：

  • 解释器（Interpreter）：逐条解释执行字节码指令，速度较慢，但实现简单
  • 即时编译器（JIT Compiler，Just-In-Time Compiler）：将热点字节码（经常执行的字节码）编译成机器码，以提高执行效率
  • 垃圾回收器（Garbage Collector）：自动管理和回收堆中的无用对象，防止内存泄漏
执行引擎
执行引擎

这些部分共同组成了JVM的核心功能，使得Java程序可以跨平台运行，并且具有良好的性能和安全性

Siben Nayak—《面向初学者的Java虚拟机架构》open in new window

© 2023 - 至今 www.geekyspace.cn 保留所有权利
Copyright © 2024 会敲代码的程序员