虛擬機與Java虛擬機介紹
虛擬機
虛擬機（Virtual Machine）顧名思義就是虛擬的計算機。是一款軟件，用來執行一系列虛擬計算機指令。虛擬機一般分爲 系統虛擬機 和 程序虛擬機。
- Visual Box，VMware就屬於系統虛擬機，是對物理計算機的仿真，提供了一個可運行完整操作系統的軟件平臺
- Java虛擬機就是典型的程序虛擬機，專門爲執行單個計算機程序設計，在Java虛擬機中執行的指令稱爲Java字節碼指令
Java虛擬機
Java虛擬機是一臺執行Java字節碼的虛擬計算機，JVM平臺的各種語言可以共享Java虛擬機帶來的跨平臺性、優秀的垃圾回收器和可靠的即時編譯器。
Java虛擬機作用：Java虛擬機就是二進制字節碼的運行環境，負責裝載字節碼到其內部，解釋/編譯爲對應平臺上的機器指令執行。每一條Java指令，Java虛擬機規範中都有詳細定義，如怎麼取操作數，怎麼處理操作數，處理結果放在哪裏。
特點：
- 一次編譯，到處運行
- 自動內存管理
- 自動垃圾回收功能
跨語言的平臺JVM
Java7以後，Java虛擬機平臺就可以運行非Java語言編寫的程序。Java虛擬機根本不關心運行在其內部的程序是使用何種編程語言編寫，它只關心"字節碼"文件。
- 編譯器的前端：各個語言自己的編譯器
- 編譯起的後端：Java虛擬機的解釋器和 JIT即時編譯器
信息產業領域三大難題：cpu、操作系統、編譯器。
Java平臺上的多語言混合編程正成爲主流，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，因爲它們最終都運行在一個虛擬機上。Java虛擬機在從“Java語言虛擬機”向“多語言虛擬機”方向發張。
Java及JVM歷史事件
- 1990年：Sun公司中James Gosling 等領導的小組Green Team開發出新的程序語言Java
- 2000年：JDK1.3發佈，Java HotSpot Virtual Machine正式發佈，成爲Java默認虛擬機
- 2003年底：Java平臺的Scala正式發佈，同年Groovy也加入了Java陣營
- 2006年：JDK6發佈，Java開源並建立了OpenJDK。HotSpot虛擬機也成爲了OpenJDK中默認虛擬機
- 2008年：Oracle收購了BEA，得到了JRockit虛擬機
- 2009年：Oracle收購了Sun，獲得了Java商標和最具有價值的HotSpot虛擬機
- 2011年：JDK7發佈，正式啓用了新的垃圾回收器G1
- 2018年：JDK11發佈，LTS（長期支持版本）版本JDK，發佈革命性的ZGC
- 2019年：JDK12發佈，加入RedHat領導開發的Shenandoah GC
OpenJDK與OracleJDK：JDK11之前，OracleJDK（商用）比OpenJDK（開源）多一些閉源的功能。但在JDK11中，兩者基本完全一致。
JVM的發展歷程
Sun Classic VM
- 1996年Java1.0版本，Sun公司發佈了Sun Classic VM的 Java 虛擬機，JDK1.4時完全被淘汰。
- 這款虛擬機只提供解釋器。
- 如果使用JIT編譯器，就需要進行外掛。一旦使用JIT編譯器，解釋器就不再進行工作。解釋器和編譯器不能配合工作。
Exact VM
- jdk1.2時，sun提供了該虛擬機
- Exact Memory Management：準確式內存管理
- Non-Conservative/Accurate Memory Management
- 虛擬機可以知道內存中某個位置的數據類型
- 具備高性能虛擬機的雛形，還沒完全實現
- 熱點探測
- 編譯器與解釋器混合工作模
- 使用短暫，該虛擬機還沒怎麼開始就被HotSpot替換了
SUN公司的 HotSpot VM
2009年，Sun公司被Oracle公司收購。
- JDK1.3時，HotSpot VM稱爲默認虛擬機
- HotSpot從服務器、客服端到移動端，嵌入式都有應用
- HotSpot名稱指的就是他的熱點代碼探測技術
- 通過計數器找到最具編譯價值代碼，觸發即時編譯或棧上替換
- 通過編譯器與解釋器協同工作，在最優化的程序響應時間與最佳執行性能中取得平衡
BEA 的 JRockit
2008年，BEA被Oracle公司收購。Java之父高斯林目前就職於谷歌，研究人工智能和水下機器人
- 專注於服務器端應用：可以不關注啓動速度，JRockit內部不包含解析器實現，全部代碼靠即時編譯器編譯後執行
- JRockit JVM是世界上最快的JVM
- Oracle在JDK 8中大致整合兩大優秀虛擬機，在HotSpot的基礎上移植JRockit的優秀特性
IBM 的 J9
- IBM Technology for Java Virtual Machine，簡稱 IT4J，內部代號 J9
- 與HotSpot定位一致，在服務端、桌面端、嵌入式等都有用途
- 與IBM自己的硬件相耦合，是最快的虛擬機，與外面其他配合使用還是比不過JRockit
Graal VM
- 2018年4月，Oracle Labs公開了Graal VM，稱“Run Programs Faster Anywhere”
- Graal VM在HotSpot VM基礎上增強成跨語言全棧虛擬機，可以作爲“任何語言”的運行平臺使用。之前已經集成的 Java、Scala、Groovy、Kotlin；C、C++、JavaScript、Ruby、Python、R等
- Graal VM未來有可能會替代掉HotSpot虛擬機
總結:
- 三款高性能Java虛擬機：HotSpot、JRockit、C9，使用在通用硬件平臺上。
- 兩款高性能Java虛擬機中的戰鬥機：Azul VM 和 BEA Liquid VM，他們與特定硬件平臺綁定、軟硬件配合的專有虛擬機。
- 具體JVM的內存結構取決於不同廠商的JVM實現或者同一廠商發佈的不同版本，都有可能存在一定差異。
JVM位置
硬件 --》 操作系統 --》 JVM --》 字節碼文件 --》 用戶User。
圖片來源於：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/
JVM的整體結構
以HotSpot爲代表：採用解釋器與即時編譯器並存的架構
- 字節碼文件（Class files）
- 類裝載器子系統（Class loader）
- 運行時數據區（Runtime Data Area）
- 線程共享：方法區（Method Area）、堆（heap）
- 線程私有：Java虛擬機棧（Java stack）、本地方法棧（Native Method Stack）、程序計數器（Program Counter Register）
- 執行引擎（Execution Engine）
- 本地方法接口（Native Interface）、本地方法庫
Java代碼的執行流程
爲什麼不一次性都編譯所有代碼，這樣不更好的節省效率麼？
- 編譯過程耗時，程序運行速度慢，啓動慢
- code catch的內存有可能會溢出，也及時方法區內存不夠
JVM的架構模型
Java編譯器輸入的指令流一種是基於棧的指令集架構，另一種基於寄存器的指令集架構。
基於棧式架構的特點：
- 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，其執行過程依賴於操作棧。指令集更小，編譯器容易實現
- 不依賴硬件支持，可移植性更好，更好的實現跨平臺
基於寄存器架構的特點：
- 指令集架構則完全依賴硬件，可移植性差
- 性能優秀和執行更高效
- 用更少的指令完成一項操作
大部分情況下，基於寄存器架構的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令爲主，而基於棧式架構的指令集是以零地址指令爲主。
總結：
由於跨平臺性的設計，Java的指令都是根據棧來設計的。不同平臺CPU架構不同，所以不能設計爲基於寄存器的。優點是跨平臺性，指令集小，編譯器容易實現；缺點是執行性能比寄存器差，實現同樣的功能需要更多的指令。
字節碼文件可以在命令行操作： javap -v 文件名.class 進行反編譯,查看字節碼指令，也可以使用 jps 指令查看當前應用的進程。
JVM的生命週期
虛擬機的啓動
Java虛擬機的啓動是通過引導類加載器（bootstrap class loader）創建一個初始類（initial class）來完成的，這個類是由虛擬機的具體實現指定的。
虛擬機的執行
程序開始執行時，虛擬機才運行，程序結束時才停止。執行一個所謂的Java程序時，真真正正執行的是一個叫做Java虛擬機的進程。
終端窗口命令：jps 命令可查看當前程序的進程情況
虛擬機的退出
- 程序正常執行結束
- 程序執行過程中遇到異常或錯誤而異常終止
- 操作系統出現錯誤導致Java虛擬機進程終止
- 某線程調用Runtime類或System類的exit方法，或Runtime類的halt方法，並且Java安全管理器也允許這次exit或halt操作