【jvm系列-01】初识虚拟机与java虚拟机

一，虚拟机与java虚拟机

1，虚拟机

所谓虚拟机(Virtual Machine)，就是一台虚拟的计算机。他是一款软件，用来执行一系列虚拟的计算机指令。虚拟机大概可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

• 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被 称为Java字节码指令。

2，java虚拟机

主要是用来执行java字节码的虚拟机计算机，拥有独立的运行机制，其运行的java字节码也不一定只能由java语言编译而成，其他语言只要遵循该虚拟机中的规范，也可以通过解析这些字节码文件来编译。

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，名称为Java Virtual Machine，简称JVM。所有的Java程序都运行在Java虚拟机的内部。

java虚拟机的作用

java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，主要负责装载字节码到其内部，解释或者编译为对应平台的机器指令执行，每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细的定义。比如说如何取操作数，怎么处理操作数，把结果放到哪里等。

Java虚拟机的特点

• 一次编译，到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收机制

3，jvm整体结构图

上面说到java虚拟机的简称就是jvm，而这个HotSpot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一，它主要是采用即时编译器和解释器保存的架构来实现，其整体的结构图如下：

把这幅图从上往下看，可以分为三层：

• 第一层就是最上面这层，就是一些Class files，就是一些二进制的字节码文件，然后需要通过一个Class的类加载器进行一个文件的加载，将这些二进制文件加入到内存当中；

• 第二层就是运行时数据区，就是通过这个类加载器加载进来的内存区域，里面主要有一些堆栈，方法区，程序计数器等等，并且在改层中，方法区和堆是属于公共区域，是线程共享的，而其他的栈和程序计数器，都是每个线程私有的；

• 第三层就是这个执行引擎，主要有一些即时编译器，解释器和垃圾回收器。

4，jvm的架构模型

Java编译器输入的指令流主要有两种，一种是基于栈的指令集架构，另一种是基于寄存器的指令集架构。

基于栈架构的特点

• 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统，比如说嵌入式设备等
• 避开了寄存器的分配难题，而是直接使用零地址指令方式分配，即不需要分配地址，直接操作值即可
• 由于大部分执行过程时依赖栈，因此大部分是使用零地址指令，其指令集更小，易编译
• 由于在栈中操作，不依赖硬件，可以直接在内存中操作，其可移植性好，可以更好的实现跨平台操作

基于寄存器架构的特点

• 性能更加优秀，执行的效率更高，可以直接在高速缓存区中工作
• 都是需要依赖于硬件，因此其可移植性差
• 相对于基于栈操作，寄存器会花费更少的指令去完成一项工作
• 寄存器架构指令往往是一，二，三地址指令，一级指令的含义就是存在一个地址和一个操作，二级指令就是两个地址和两个操作值，以此类推。

架构模型总结

为了解决java的跨平台性问题，Java指令是根据这个栈指令集来进行设计的。不同平台的CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。

相对而言，栈指令集的跨平台性会更好，并且其指令集小，但是其指令会更多，其性能相较于这个寄存器会更差。

5，jvm的生命周期

jvm的生命周期主要有启动，执行和停止三个部分组成。

虚拟机的启动

在java的官方规范中，Java虚拟机的启动是通过引导类的类加载器来创建初始类的，这个类是由虚拟机的具体指定实现的，即不同商家的虚拟机所决定。

虚拟机的执行

java虚拟机的主要任务就是执行java程序。在程序开始时java虚拟机就开始运行，程序结束时java虚拟机就停止。在执行一个所谓的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。

虚拟机的退出

程序正常执行结束，或者遇到异常，或者操作系统出现错误这些都会让程序结束，除了这些之外，在调用Runtime或者System系统类的时候也会让这个虚拟机退出。除此之外，在使用JNI加载或者卸载java虚拟机的时候，java虚拟机也会出现退出的情况。

6，jvm的种类划分

6.1，Sun Classic Vm

在1996java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为Sun Classic VM的Java虚拟机，他同时也是第一款商用的Java虚拟机，在JDK1.4版本的时候正式被淘汰。

在这款虚拟机中，只提供解释器而没有即时编译器，如果使用这种JIT即时编译器，就需要外挂，但是在使用这个即时编译器的时候，这个解释器就不能工作，从而解释器和这个编译器就不能协同的工作，因此这个款虚拟机被淘汰。

解释器和这个JIT即使编译器都可以认作是一个翻译器，并且在当今流行的HotSpot虚拟机中，这两种方式是一起协同工作的。解释器就是正常用来解释字节指令的机器，而这个即时编译器有着缓存热代码的作用，可以提升工作效率。

这两者最大的区别就是：解释器响应快，但是执行效率较低，就相当于步行，但是可以一直不停；而即时编译器是需要通过编译成机器指令的，因此需要一段时间就行等待，但是一旦编译通过，那么其执行效率就很高，相当于火车。这两种是通过合作的方式共存的，当JIT即使编译器处于这个等待的状态，那么就通过解释器来执行，反之则使用这个JIT即时编译器来执行。

6.2，Exact VM

为了解决解释器和即时编译器不能共用的问题，在jdk1.2的时候，Sum提供了这个Exact VM ，准确式内存管理，虚拟机可以知道内存中的某个位置的数据具体是什么类型。但是只在Solaris平台短暂使用，在其他平台还是使用的classic Vm

6.3，HotSpot虚拟机

现在主流的还是该款虚拟机，不管是目前比较火的Oracle JDK还是OpenJdk，HotSpot都是里面的默认的虚拟机。像这个方法区的概念，就是这个虚拟机独有的。

6.4，JRockit虚拟机

主要是注重于服务端的应用，他可以不用关注程序的启动速度，因此JRockit内部不包含解释器，全部代码都靠及时编译器来完成。据研究显示，该款虚拟机是全世界最快的虚拟机。