Understanding the JVM：走进Java

2013-11-13

Java几个特点

从Java语言的几个特点说起：

一次编写，到处执行

Java：Write Once，Run Anywhere，归根结底是在JVM上运行的。整体几个过程：

• 编写.java源文件
• 编译为.class字节码文件 （javac 命令）
• .class文件在JVM上运行

即，“一次编写，到处执行”的口号，实际是，有JVM的地方才能执行，因为其依赖于JVM。关于上述3个过程，有几个小问题：

• 直接用JVM执行.java文件不行吗？为什么需要.class文件？
• java语法
• class文件格式
• JVM怎么运行的class文件（加载过程）
• 利用class文件能否得到java文件

内存管理

Java提供相对安全的内存管理和访问机制，主要是几个术语：

• 垃圾回收
• 内存模型（数据摆放）
• 指针越界（引用，reference）

疑问：程序占用的内存，不用主动释放？例如：obj = new Class();

热点代码

Java实现了热点代码检测、运行时编译及优化，能够实现：Java应用程序随应用运行时间的增加而获得更高的性能。

疑问：

• 一边运行，一边编译？JIT（Just In Time）及时编译器？
• 编译器的作用是什么？.class文件转换为二进制机器代码？

第三方类库

Java有丰富多样的第三方类库，实现各种功能。（举几个例子？）

两个名词：JDK、JRE

说两个术语JDK和JRE：

• JDK：Java Development Kit，Java开发工具集，是支持程序开发的最简环境，包含几个部分：
  • Java语言
  • JVM
  • Java API类库（自带）
• JRE：Java Runtime Env.，Java运行环境，是Java程序运行的标准环境，包含几个部分：
  • JVM
  • Java API类库中Java Standard Edition（Java SE）API子集

再说两个称呼吧：

• 在JDK 1.2 版本后，Java拆分为3个方向：
  • J2SE（Java 2 Plantform，Standard Edition）面向桌面应用开发；
  • J2EE（Java 2 Plantform，Enterprise Edition）面向企业级开发；
  • J2ME（Java 2 Plantform，Micro Edition）面向移动端开发；
• JDK 1.6 版本终结了上述J2XX的命名方式，对应启用如下命名：
  • Java SE 6；
  • Java EE 6；
  • Java ME 6；

JDK的发展过程

• JAVA，1995年诞生；
• JDK 1.0（1996），纯解释执行的Java虚拟机实现（Classic VM）；
• JDK 1.2（1998），是个里程碑：
  • 拆分为J2SE、J2EE、J2ME共计3个方向；
  • 首次在JVM中内置JIT编译器；
• JDK 1.4（2002），新特性：
  • 正则表达式
  • 异常链
  • NIO
  • 日志类
  • XML解析器
  • XSLT转换器
• JDK 1.5（2004），重大改进：
  • 语法层面上，增强易用性：
    • 自动装箱？
    • 泛型？
    • 动态注解（有静态注解吗？）
    • 枚举？
    • 可变长参数？
    • 遍历循环（foreach循环）
  • 虚拟机和API层面上，重大改进;
    • Java的内存模型（Java Memory Model）？
    • 并发包：java.util.concurrent？
• JDK 1.6（2006），几个方面：
  • 命名上：
    • J2EE – JAVA EE 6
    • J2SE – JAVA SE 6
    • J2ME – JAVA ME 6
  • 语法层面上：
    • 提供动态语言支持（通过内置Mozilla JavaScript Rhino引擎实现）
    • 提供编译API？
    • 微型HTTP服务器API？
  • Java虚拟机层面上：
    • 锁与同步
    • 垃圾收集
    • 类加载等的算法
  • 开源工作进展上：
    • 2006.11开始逐步开源JDK的各个组件
    • OpenJDK 1.7 与 Sun JDK 1.7 的代码基本一致
• JDK 1.7：
  • 语法层面：
    • switch 支持 String
    • try-with-resource 语法支持，所有实现 java.lang.AutoCloseable 接口java.io.Closeable 接口的对象，都可以使用
    • 单行 catch 多种异常
    • 创建泛型时，类型推断
• JDK 1.8：
  • 语法层面：
    • Lambda 表达式
    • 函数式接口：接口中只包含一个方法（不包含静态方法和默认方法）
  • JVM 层面：
    • 去除了永久代的概念
    • 方法区，直接存储在直接内存中

JVM

几个熟知的Java Virtual Machine：

• Classic VM
• Exact VM
• HotSpot VM

HotSpot VM

重点说一下HotSpot VM，两个点：

• 准确式内存管理（Exact Memory Management）
  • VM知道内存中某个位置的数据具体什么类型
  • 例如：123456是整型还是引用，如果将123456位置的数据移动，则知道内存中哪些123456需替换；
• 热点代码检测，具体：
  • 执行计数器
  • 找出最具编译价值的代码
  • JIT编译器以方法（Method）为单位，进行编译

疑问：编译器、解释器，作用是什么？（以java编写、执行过程来说明）

说一个有意思的：Java语言能够实现Java语言本身的运行环境吗？几个思考：

• 什么叫Java语言的运行环境？其提供什么作用？
• Java语言能够实现这一功能吗？

JVM，java运行环境，语言自身实现其运行环境，元循环，Meta-Circular，两个例子：JavaInJava虚拟机，Maxine VM。

Google Android Dalvik VM

说几点吧，列一下清晰一些：

• Dalvik VM，只能被称为”虚拟机”，而不是”JAVA 虚拟机”
• Dalvik VM没有执行Java虚拟机规范
• 不能直接执行Java的Class文件
• 寄存器架构，不是JVM中常见的栈架构

思考：寄存器架构，和栈架构之间的区别？

简单说一下：指令集不同

Dalvik VM与Java之间有千丝万缕的联系：

• Dalvik VM的执行文件dex文件，可以通过class文件转换得到；
• 使用Java语法编写应用程序
• 可以直接使用大部分Java的API
• Android 2.2中已经实现及时编译器；

JAVA当前重要进展

多核并行

背景

CPU硬件的发展方向，已经从单CPU高频率转向为多核心，随着多核时代来临，软件开发越来越关注并行编程领域。

JAVA API与Lambda函数式编程

JDK 1.5中引入java.util.concurrent包，实现一个粗粒度的并发框架；JDK 1.7中引入java.util.concurrent.forkjoin包，Fork/Join模式是处理并行编程的经典方法。

疑问：Fork/Join模式，是经典的并行编程方法？怎么说？

1. Fork/Join，是分治思想的一种，跟 Map/Reduce 类似
2. Fork/Join，以计算能力为中心，充分利用空闲的计算能力，一个任务队列执行完了，就从其他任务队列偷取任务；
3. Map/Reduce，以数据为中心，认为所有的线程执行能力是等同的，只要给相同的数据量，处理时间就相同；

极其重要进展：Java 8 中，提供Lambda函数式编程，函数式编程的重要有点是：程序天然的适合并行运行；这将有助于Java在多核时代继续保持主流语言的地位。

疑问：函数式编程语言，为什么，天然适合并行运行？

1. 函数式编程，基本但愿是函数，函数是无状态的，始终是线程安全的
2. 线程安全的代码，可以任意的分布在多核 CPU 上运行

64位JVM

背景

主流CPU开始支持64位架构，一个问题：32位、64位CPU是怎么衡量的？

效果

64位虚拟机有什么好处？更多的计算资源？更多的内存空间？超过4G的内存空间，就必须要使用64位JVM？

与32位JVM相比，64位JVM几个地方需要考虑：

• 指针膨胀；
• 各种数据类型对齐补白；

上面的结果是：64位JVM占用更多内存（额外10%~30%）。（具体什么原因？）

编译自己的JDK

JDK的很多底层方法是本地化的（native），如何跟踪这些方法？需要编译一下JDK源码。

参考来源

• 深入理解Java虚拟机

原文地址：https://ningg.top/understanding-jvm-chapter-1/