Java基础 — Java 虚拟机(上篇)

该文章属于Java进阶部分的JVM入门，本章讲述了JVM的历史、Java源代码到机器码的过程以及 Class字节码文件的内部结构等。
了解了这篇文章，能让你深入地了解JVM知识，保证在短时间内掌握JVM！

JVM 入门教程（上篇）

开篇：为什么要学虚拟机

1. 学习Java虚拟机能深入地理解Java这门语言

2. 学习虚拟机是为了线上排查问题打下基础

• 学会垃圾回收机制等，看懂Java虚拟机内存模型，看懂GC日志，解决线上的Java应用崩溃问题

第 1 讲 Java语言的前世今生

1. JDK 与 JRE

• JRE 仅包含运行Java程序的必须组件，包括Java虚拟机以及Java核心类库等。

• JDK 除了包含JRE外，还附带了一系列开发、诊断工具。

• 一般来说，如果只需要运行Java程序，那么安装JRE即可。但如果要运行Java程序的开发，那么就需要安装JDK。

2. JDK 与 J2SE

• Java SE 是Java三大技术体系的一个。

• 在1998年，JDK1.2发布，Java技术体系被拆分为 J2SE、J2EE、J2ME三大体系。

• J2SE称之为标准版技术体系，它包含了构成Java语言核心的类，如：数据库连接、网络编程、接口定义等。J2SE技术体系主要用于桌面应用软件的编程。

• J2EE称之为企业版技术体系，它除了包含J2SE中的类，还包含用于开发企业级应用的类，如：Servle、JSP、EJB等。J2EE技术体系主要用于分布式的网络程序的开发，如电子商务网站等。

• J2ME称之为嵌入式技术体系，它包含J2SE中的一部分类。J2ME技术体系主要用于消费电子产品的软件开发，如：手机、PDA、寻呼机等。

3. J2SE 与 Java SE

• J2SE 与 Java SE ，其实它们指的是同一个东西，只不过在2006年JDK 1.6 发布时，讲J2SE、J2EE、J2ME的命名方式改为 Java SE 6、Java EE 6、Java ME 6。

4. Java语言的历史

• 在 1991 年，James Gosling 博士发布了 Oak，这个是 Java 语言的前身。但一直到 1995 年的时候，Oak 语言才改名为 Java。

• 1991 年，James Gosling 博士发布产品 Oak，这是 Java 语言的前身。

• 1995 年，Oak 语言改名为 Java。

• 1996 年，JDK1.0 发布，提供了纯解释执行的 Java 虚拟机实现：Sun Classic VM。

• 1997 年，JDK1.1 发布，代表技术有：JDBC、JavaBeans、内部类、反射。

• 1998 年，JDK1.2 发布，Java 技术体系被拆分为 J2SE、J2EE、J2ME 三大体系。

• 2000 年，JDK1.3 发布，默认的 Java 虚拟机由 Sun Classic VM 改为 HotSopt。

• 2002 年，JDK1.4 发布，Java 真正走向成熟，代表技术有：正则表达式、NIO等。

• 2004 年，JDK1.5 发布，对语法易用性做了很大改进，新增了泛型、枚举等，代表技术有：并发包等。

• 2006 年，JDK1.6 发布，将 J2EE/J2SE/J2ME 的命名方式改为 Java SE 6、Java EE 6、Java ME 6。

• 2009 年，Sun 公司因为经营不善被 Oracle 公司收购。

• 2011 年，JDK1.7 发布。

• 2013 年，JDK1.8 发布。

• …………

5. 总结

• 这一部分简单地介绍了一些常见概念上地区别，以及Java语言的历史，让大家对Java语言的发展有一个大致的理解。

第 2 讲 Java虚拟机的历史

1. Sun Classic —— 虚拟机始祖

• 在 1996 年 1 月 23 日，Sun 发布 JDK1.0，齐总自带的虚拟机就是Classic VM。但是这款虚拟机有个特点，只能使用纯解释器的方式来执行Java代码，此时解释器与编译器无法共同存在。到JDK1.4正式退出历史舞台。

2. Sun Exact VM —— 无疾而终

• 在 JDK1.2 时发布了Exact VM 的虚拟机，尝试解决 Classic VM遇到的所有问题，它的执行系统解决了Classic VM 存在的编译器和解释器无法同时工作的问题，还具备了一些现代高性能处理器的特性，如：两级即时编译等。

• Exact VM 还改进了虚拟机的对象查找方式，使用了准确式内存管理，即虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型，这样就减少了查找的开销，提升了执行性能。

• 但可惜的是，虽然Exact VM发布了，但是直到它退出时，都没有被大规模使用过。

3. Sun HotSpot VM —— 武林盟主

• HotSpot不仅仅有前面说到两款虚拟机的优点，也有许多自己的新技术，如：热点探测技术。热点探测技术指的是通过执行计数器找出最具优化价值的代码，然后通知JIT编译器一方法为单位进行深度优化编译。

• 从 2000 年JDK1.3发布，HotSpot VM作为默认的虚拟机开始登上历史舞台。

4. BEA JRockit / IBM J9 VM —— 百家争鸣

• 前面说的都是 Sun 公司推出的虚拟机，其他组织、公司也研发过不少的虚拟机实现。这里是最著名的。

• BEA 公司的 JRockit 是一款专注于服务器硬件和服务端应用场景的虚拟机，其针对服务端场景做了大量的优化，因此其不太关注程序启动速度。JRockit 虚拟机内部不包含解释器实现，全部代码都靠即时编译器编译后执行。此外，其提供的 MissionControl 服务套件也十分强大。

• IBM 公司的 J9 VM 则是一款比较通用的虚拟机，其定位应用于从服务端到桌面应用再到嵌入式的多用途虚拟机。IBM 公司开发 J9 VM 的目的是将其作为 IBM 公司各种 Java 产品的执行平台。

5. 那些无名虚拟机 —— 武林外传

• 除了上述的这些虚拟机之外，其实还有各种各样的虚拟机存在。

• 例如性能最强悍的并不是上面所说的虚拟机，而是名为 Azul VM 和 BEA Liquid VM 的专用商业及虚拟机。这些虚拟机只运行在特定硬件平台，因此要求比较高。但其性能也是非常强悍的。其可以管理至少数十个 CPU 和数百 GB 的内存资源，还提供在巨大内存范围内实现可控 GC 时间的垃圾收集器等等。

• 此外还有许许多多其他的虚拟机存在，例如：Apache Harmony、Google Android Dalvik VM、Mircosoft JVM 等等。

• Oracle 看了这么些历史，似乎都是在说 Sun公司发布的虚拟机，与 Oracle 似乎没有什么关系。但在 2010 年，Oracle 公司收购了 Sun 公司，这样 Oracle 就拥有了 HotSpot VM。再加上其在 2008 年收购 BEA 公司获得的 JRocket VM，Oracle 公司就拥有了地球上最优秀的两款虚拟机。

• 对于虚拟机未来的规划，Oracle 宣布会将 JRockit 的优秀特性整合到 HotSpot VM 中，例如移植 JRockit 的垃圾回收器和 MissionControl 服务。

第 3 讲 到底什么是虚拟机？

• 为什么不同系统上的软件无法安装，这是因为操作系统底层的实现是不一样的。对于Windows系统来说，exe后缀的软件代码最终编译成Windows系统能识别的机器码。而Mac OSX 系统来说，dmg后缀的软件代码最终编译成 Mac OSX 系统能识别的代码。

• 与其他语言不同，Java语言并不直接讲代码编译成与系统有关的机器码，而是编译成一种特定的语言规范，这种语言规范我们称之为字节码。无论Java程序要在Windows系统，还是Mac OSX系统，或者是Linux系统，它首先都得编译成字节码文件，之后才能运行。

• 但即使编译成字节码文件了，各个系统还是无法明白字节码文件的内容，这时就需要Java虚拟机的帮助了。Java虚拟机会解析字节码文件的内容，并将其翻译为各操作系统能理解的机器码。

• Java虚拟机运行的是字节码文件，如果你用php语言写一段代码，并自己用特定编译器能生成符合字节码规范的字节码文件，那么Java虚拟机也是可以运行的。

• 简单来说Java虚拟机就是一个字节码翻译器，它将字节码文件翻译成各个系统对应的机器码，确保字节码文件能在各个系统正确运行。

第 4 讲 对于Java语言，从源代码到机器码，发生了什么？

编译器可以分为：前端编译器、JIT编译器和AOT编译器

前端编译器

前端编译器：源代码到字节码 对于Java虚拟机来说，其实际输入的是字节码文件，而不是Java文件。 怎样讲Java代码转化为字节码文件？我们知道在JDK的安装目录里有一个javac工具，就是它讲Java代码翻译成字节码，这个工具我们叫做编译器，因为是处于编译前期，所以被称为前端编译器。常见的前端编译器有Sun的javac，Eclipse JDT的增量编译器(ECJ)。 通过javac编译器，我们可以很方便地将java源文件翻译成字节码文件。javac编译器解析Java源码，并生成字节码文件地过程，就是使用javac编译器把Java语言规范转化为字节码语言规范。

javac编译器地处理过程可以分为下面地四个阶段：

第一阶段：词法、语法分析

javac编译器会对源代码地字符进行一次扫描，最终生成一个抽象地语法树。

第二阶段：填充符号表

对抽象地类或接口进行符号填充，等到类加载阶段，javac编译器会将符号替换成具体地内存地址。

第三个阶段：注解处理

Java是支持注解地，因此在这个阶段会对注解进行分析，根据注解地作用将其还原成具体的指令集。

第四个阶段：分析与字节码生成

javac编译器会根据上面几个阶段分析出来的结果，进行字节码的生成，最终输出为class文件。

JIT编译器(即时编译器)

• JIT编译器：从字节码到机器码

• 当源代码转化为字节码后，其实要运行程序有两种选择：

  • 一种是Java解释器解释执行字节码，另一种则是使用JIT编译器将字节码转化为本地机器代码。

  • 两者区别在于，前者启动速度快但运行速度慢，后者启动速度慢但运行速度快。

• 在HotSpot虚拟机内置了两个即时编译器，分别为Client Compiler和Server Compiler。

• 这两种不同的编译器衍生出两种不同的编译模式，我们分别称之为：C1编译模式、C2编译模式(非官方说法)。

C1编译模式和C2编译模式的区别

• C1编译模式会将字节码编译为本地代码，进行简单、可靠的优化，如：有必要将加入性能监控的逻辑。优化相对比较保守，比C2较快。

• 而C2编译模式，也是将字节码编译为本地代码，但是会启用一些编译耗时较长的优化，甚至会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化。C2的编译质量相对较好，但耗时更长。

对于HotSpot虚拟机有三种运行模式可选

1. 混合模式：

• C1和C2两种模式混合起来使用，这是默认的运行模式，如果想单独使用C1模式或C2模式，使用 -client 或 -server 打开即可。

1. 解释模式：

• 所有代码都解释执行，使用 -Xint 参数可以打开这个模式。

1. 编译模式：

• 此模式优先采用编译，但是无法编译时也会解释执行，使用 -Xcomp 打开这种模式。

此时，我们了解了从Java源代码到字节码，再从字节码到机器码的全过程，可以到这里就结束了。但是Java中还有一个AOT编译器，它能直接将源代码转换为机器码。

AOT编译器

• AOT编译器：源代码到机器码

• AOT编译器的基本思想是：在程序执行前生成Java方法的本地代码，以便在程序运行时直接使用本地代码，也就是在进入JVM之前就已经将本地机器码生成了。

• 优点：

  • 启动速度快，减少运行时的开销

• 限制：

  • 由于缺乏运行时信息，AOT编译质量也就是优化效果通常不如JIT编译。

  • Java的动态类加载等特性可能会增加AOT编译的复杂性。

总结

• 在JVM中有三个非常重要的编译器，它们分别是：前端编译器、JIT编译器、AOT编译器。

• 前端编译器，最常见的是javac编译器，将Java源代码编译为Java字节码文件。

• JIT编译器(即时编译器)，最常见的是HotSpot虚拟机中的Client Compiler和 Server Compiler，将Java字节码编译成本地机器代码。

• AOT编译器能将源代码直接编译为本地机器码。

编译速度和编译质量上的区别

• 编译速度上，解释执行>AOT编译器>JIT编译器

• 编译质量上，JIT编译器>AOT编译器>解释执行。

而在JVM中，通过这几种不同方式的配合，使得JVM的编译质量和运行速度达到最优的状态。

第 5 讲 字节码文件结构

《Java虚拟机规范》规定了Java虚拟机结构、Class类文件结构、字节码指令等内容。
字节码文件结构是一组以8位字节为基础的二进制流，各数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中，中间没有添加任何分隔符。
在字节码结构中，有两种最基本的数据类型来表示字节码文件格式，分别是：无符号数和表。

无符号数

• 无符号数属于最基本的数据类型。它以u1、u2、u4、u8分别代表1个字节、2个字节、4个字节、8个字节的无符号数。

• 无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量或者按照UTF-8编码构成的字符串值。

表

• 表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型。

一个Class字节码文件的格式内容

1. magic: 魔数，固定为0xCAFEBABE，用于标识这是一个Java Class文件。

2. minor_version 和 major_version: 分别表示Class文件的次版本号和主版本号。

3. constant_pool_count: 常量池中常量的数量。

4. constant_pool: 常量池，存储了类中用到的所有常量，包括字符串、类名、方法名等。这里除了基本类型和UTF-8的字符串存储的是值外，其他的都是存储的索引。

5. access_flags: 访问标志，标识类或接口的访问权限和属性（如public, final, abstract等）。 如：这个Class是类还是接口、是否定义位public类型、是否定义为abstract类型等。标志值可以通过相加来叠加。

6. this_class: 当前类的索引，确定这个类的全限定名，指向常量池中的一个项。

7. super_class: 父类的索引，确定这个类的父类的全限定名，指向常量池中的一个项。

8. interfaces_count 和 interfaces: 接口的数量和接口列表。Class文件中由this_class、super_class、interfaces_count这三项数据来确定这个类的继承关系。

9. fields_count 和 fields: 字段的数量和字段列表。

10. methods_count 和 methods: 方法的数量和方法列表。

11. attributes_count 和 attributes: 属性的数量和属性列表。