jvm-虚拟机的基本概念

参考

尚硅谷：宋红康（b站视频）

一、虚拟机概念

1.1 虚拟机的基本概念

• 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机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

• 大名鼎鼎的Virtual Box，VMware就属于系统虚拟机，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台，还有一种是直接建立在硬件之上的，如exsi。pve等。

• 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。

1.2 Java虚拟机的基本概念

1.2.1 基本概念

• 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，常见的其他语言还有kotlin、Groovy、scala等。
• JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回器，以及可靠的即时编译器（这使得java其实可以说是"半编译半解释型语言"）。
• 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。

1.2.2 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。

1.2.3 特点

1. 一次编译，到处运行（基于栈的方式）
2. 自动内存管理
3. 自动垃圾回收功能（有自带GC）

二、JVM的整体结构与位置

2.1 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

2.2 JVM的整体结构

jvm可以将其看成三层理解：最上面的类加载区域、中间的运行时数据区、最下面的执行引擎和一些native库以及本地方法库（之后会详细讲）
简图：

详细图：

三、Java代码执行流程

四、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，另外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：

4.1 基于栈的指令集架构

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

4.2 基于寄存器的指令级架构：

• 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虚拟机。
• 指令集架构则完全依赖硬件，与硬件的耦合度高，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

4.3 案例

eg：对比两个的 2 + 3操作

• 基于栈的操作
  
• 基于寄存器的计算流程

mov eax,2
add eax,3

• 对比
  基于栈的操作指令差不多有八个左右
  而基于寄存器的指令只有两个

• 选择
  因为基于栈的架构跨平台性好、指令集小，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构

五、JVM的生命周期

5.1 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。

5.2 虚拟机的执行

1. 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
2. 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止
3. 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

5.3 虚拟机的退出

程序正常执行结束：

1. 程序正常执行结束
2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
3. 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
4. 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exit()或halt()操作。
5. 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。

六、不同的JVM

1. Sun Classic VM：早在1996年Java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为sun classic VM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。
2. Exact VM：为了解决上一个虚拟机问题，jdk1.2时，Sun提供了此虚拟机
3. HotSpot VM：目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林
4. JRockit（商用三大虚拟机之一）：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。
5. IBM的J9（商用三大虚拟机之一）：全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9
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 VM
7. Azul VM
8. Liquid VM
9. Apache Marmony
10. Micorsoft JVM
11. Taobao JVM
12. Dalvik VM
13. Graal VM（未来虚拟机）

七、总结

具体JVM的内存结构，其实取决于其实现，不同厂商的JVM，或者同一厂商发布的不同版本，都有可能存在一定差异。主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。

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