1 前言
你是否也遇到过这些问题？
- 运行着的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接OOM。
- 想解决线上JVM GC问题，但却无从下手。
- 新项目上线，对各种JVM参数设置一脸茫然。
- 每次面试之前都要从新背一遍JVM的原理概念。面试官却经常问实际项目中如何调优JVM参数、解决GC、OOM等问题。
大部分Java开发人员，除会在项目中使用到与Java平台相关的各种高精尖技术，对于Java技术的核心Java虚拟机了解甚少。如果把核心类库API比作数学公式的话，那么Java虚拟机就好比公式的推导过程。
1.1 架构师每天在想什么？
- 如何让我的系统更快？
- 如何避免系统出现瓶颈？
1.2 做一个怎样的程序开发人员？
- 参与现有系统的性能优化，重构，保证平台性能和稳定性。
- 根据业务场景和需求，解决技术方向，做技术选型。
- 能够独立架构和设计海量数据下高并发分布式解决方案，满足功能和非功能需求。
- 解决各类潜在系统风险，核心功能的架构与代码编写。 分析系统瓶颈，解决各种疑难杂症，性能调优等。
1.3 为什么学习JVM？
- 面试的需要。
- 中高级程序员必备技能：项目管理、调优需要。
- 追求极客精神：比如垃圾回收算法、JIT、底层原理。
推荐书籍：深入理解Java虚拟机-周志明
2 Java及Jvm简介
2.1 JVM跨语言的平台
2.2 OpenJDK与OracleJDK
- 每次发布新版本都会同时发布两个版本。
- 两者协议不同。
- OpenJDK维护期间半年，存在bug需要升级版本。OracleJDK维护期间三年（付费）。
- 在JDK11之前，OracleJDK还会存在一些OpenJDK中没有的、闭源的功能。但是在JDK11中，可以认为OpenJDK和OracleJDK代码实质已经完全一样。
- JDK11加入ZGC，JDK12中OpenJDK加入RedHat领导开发的 Shenandoah GC，而OracleJDK没有。
3 虚拟机与Java虚拟机
3.1 虚拟机
- 所谓虚拟机（Virtual Machine），就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
- 大名鼎鼎Visual Box、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整操作系统的软件平台。
- 程序虚拟机典型代表就是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。
3.2 Java虚拟机
- 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字节码也未必由Java语言编译而成。
- 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，以及可靠的即时编译器。
- Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。
- 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。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。
- 特点
- 一次编译，到处运行。
- 自动内存管理。
- 自动垃圾回收功能（弱化程序员的能力）。
3.3 JVM的位置
4 JVM整体结构（重点，需要自己画出来）
-
简图
- 方法区（HotSpot独有）、堆（内存最大，GC考虑）多线程共享。
- 虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器线程私有。
- 执行引擎包含三部分：解释器、JIT即时编译器、垃圾回收器。
-
详细图
-
HotSpot VM是目前市面上最高性能虚拟机代表之一。
-
HotSpot VM采用解释器与即时编译器并存架构。
-
Java程序运行性能已经达到可以和C/C++程序一较高下的地步。
5 Java代码执行流程
6 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，更好实现跨平台。
- 基于寄存器架构的特点
- 典型应用是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，基于栈式架构的指令集确是以零地址指令为主。
6.1 栈式架构例子1
如下例子，int i = 2 + 3编译时就已执行了运算与int i = 5;是一样的。
package com.lll.demo;
public class StackStruTest {
public static void main(String[] args) {
int i = 2 + 3;
}
}
javap -v StackStruTest.class
Classfile /D:/demo/demo/target/classes/com/lll/demo/StackStruTest.class
Last modified 2022-8-10; size 432 bytes
MD5 checksum f2fa52fb41f25b6ade574329b8afe2c8
Compiled from "StackStruTest.java"
public class com.lll.demo.StackStruTest
minor version: 0
major version: 49
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #3.#19 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #20 // com/lll/demo/StackStruTest
#3 = Class #21 // java/lang/Object
#4 = Utf8 <init>
#5 = Utf8 ()V
#6 = Utf8 Code
#7 = Utf8 LineNumberTable
#8 = Utf8 LocalVariableTable
#9 = Utf8 this
#10 = Utf8 Lcom/lll/demo/StackStruTest;
#11 = Utf8 main
#12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#13 = Utf8 args
#14 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#15 = Utf8 i
#16 = Utf8 I
#17 = Utf8 SourceFile
#18 = Utf8 StackStruTest.java
#19 = NameAndType #4:#5 // "<init>":()V
#20 = Utf8 com/lll/demo/StackStruTest
#21 = Utf8 java/lang/Object
{
public com.lll.demo.StackStruTest();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/lll/demo/StackStruTest;
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=2, args_size=1
0: iconst_5 //编译期计算了结果
1: istore_1
2: return
LineNumberTable:
line 5: 0
line 6: 2
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 3 0 args [Ljava/lang/String;
2 1 1 i I
}
SourceFile: "StackStruTest.java"
6.2 栈式架构例子2
package com.lll.demo;
public class StackStruTest {
public static void main(String[] args) {
int i = 2;
int j = 3;
int k = i + j;
}
}
javap -v StackStruTest.class
Classfile /D:/demo/demo/target/classes/com/lll/demo/StackStruTest.class
Last modified 2022-8-10; size 474 bytes
MD5 checksum 7e2f8bc97fc6908bb7fe07e31a8b003d
Compiled from "StackStruTest.java"
public class com.lll.demo.StackStruTest
minor version: 0
major version: 49
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #3.#21 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #22 // com/lll/demo/StackStruTest
#3 = Class #23 // java/lang/Object
#4 = Utf8 <init>
#5 = Utf8 ()V
#6 = Utf8 Code
#7 = Utf8 LineNumberTable
#8 = Utf8 LocalVariableTable
#9 = Utf8 this
#10 = Utf8 Lcom/lll/demo/StackStruTest;
#11 = Utf8 main
#12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#13 = Utf8 args
#14 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#15 = Utf8 i
#16 = Utf8 I
#17 = Utf8 j
#18 = Utf8 k
#19 = Utf8 SourceFile
#20 = Utf8 StackStruTest.java
#21 = NameAndType #4:#5 // "<init>":()V
#22 = Utf8 com/lll/demo/StackStruTest
#23 = Utf8 java/lang/Object
{
public com.lll.demo.StackStruTest();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/lll/demo/StackStruTest;
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//定义常量2
1: istore_1//保存到操作数栈1的位置
2: iconst_3//定义常量3
3: istore_2//保存到操作数栈2的位置
4: iload_1//加载i
5: iload_2//加载j
6: iadd//加法运算
7: istore_3//运算结果k保存在操作数栈3的位置
8: return//结果返回
LineNumberTable:
line 5: 0
line 6: 2
line 7: 4
line 8: 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
}
SourceFile: "StackStruTest.java"
6.3 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，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。
栈优点：跨平台性、指令集小、指令多；栈缺点：执行性能比寄存器差。
7 JVM的声明周期
7.1 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，这个类是虚拟机的具体实现指定的。
7.2 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开始运行，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。
7.3 虚拟机的退出
- 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，
java.lang.Runtime类或System类的exit方法，或java.lang.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。
