一、Java及JVM简介

1.1 如何看待框架

大部分Java开发人员，除了会在项目中使用到与Java平台相关的各种高精尖技术框架，对于Java技术的核心——Java虚拟机了解甚少。
一些有一定工作经验的开发人员，打心眼里觉得SSM、微服务等上层技术才是重点，基础技术并不重要，这其实是一种本末倒置的病态。
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计算机系统体系对我们来说越来越远，在不了解底层实现方式的前提下，通过高级语言很容易编写程序代码，但事实上计算机并不认识高级语言。
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1.2 为什么要学习JVM

  1. 面试的需要
  2. 中高级程序员必备技能，项目管理、调优的需要
  3. 追求极客的精神，垃圾回收算法、JIT(Just In Time)、底层原理

垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了并发的效率。但是垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计拓展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶 的必备能力。

1.3 Java生态圈

Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java及Java社区的不断壮大，Java早已不是一门简单的计算机语言，而成为了一个平台、一种文化、一个社区。

  1. 作为一个平台，JVM扮演着举足轻重的作用，Groovy、Scala、JRuby、Kotlin都是基于JVM的。
  2. 作为一种文化，Java几乎成了开源的代名词，不仅有Tomcat、Mybatis、Spring等Java优秀框架，连JDK和JVM自身都有开源实现，如OpenJDK、Harmony。
  3. 作为一个社区，Java拥有全世界UI多的技术拥护者和开源社区支持。

1.4 JVM：跨语言的平台

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write once, run anywhere. 一次编写，到处运行。
compile once, error everywhere. 一次编译，到处报错。
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Java不是最强大的语言，但JVM是最强大的虚拟机，JVM是一个比Java更成功的作品。

随着Java7的发布，JSR-292规范实现了在JVM上运行非Java语言编写的程序。

Java虚拟机不关心运行在内部的程序到底是何种语言编写的，它只关心字节码文件，只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他辅助信息，就是一个有效的字节码文件，JVM就能识别并装载运行。

Java平台上的多语言混合编程正成为主流，各种语言间的交互不存在任何困难，就像使用自己语言的原生API一样方便，因为他们都运行在一个虚拟机之上。

二、Java发展的重大事件

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在JDK11之前，Oracle JDK中还会存在一些Open JDK没有的，闭源的功能，但是在JDK11中，OpenJDK和OracleJDK代码实质上已经完全一致，只是协议不同。

三、虚拟机与Java虚拟机

3.1 什么是虚拟机

所谓虚拟机，就是一台虚拟的计算机，是一个软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。
大体上分为系统虚拟机(Visual Box/VMware)和程序虚拟机(JVM)，在虚拟机上运行的软件都被限制余虚拟机提供的资源。

分类
  1. 系统虚拟机完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行操作系统的软件平台。
  2. 程序虚拟机专为执行单个计算机程序而设计，在JVM中执行的指令我们称为Java字节码指令，Java字节码未必由Java语言编译。

3.2 Java虚拟机

Java的核心技术就是JVM，因为所有的Java程序都运行在JVM上。
JVM平台的各种语言可以共享JVM带来的跨平台性、优秀的垃圾回收机器以及可靠的及时编译器。

作用

Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装在字节码到其内部，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，处理结果放哪里。

特点
  1. 一次编译，到处运行。
  2. 自动内存管理。
  3. 自动垃圾回收功能。

四、JVM的整体结构

4.1 JVM的位置

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4.2 JVM的整体结构

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多线程共享方法区和堆，每个线程单独维护一份Java栈、本地方法栈、程序计数器。
详细版
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五、Java代码执行流程

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JIT编译器会对热点代码进行二次编译，直接编译成机器指令并缓存。

六、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，另一种指令集架构是基于寄存器的指令架构。

6.1 基于栈式架构的特点

  1. 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统。
  2. 避开了寄存器的分配难题，直接在栈顶操作，使用零地址指令方式进行分配。
  3. 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，编译器更容易实现。
  4. 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台。

6.2 基于寄存器架构的特点

  1. 指令集架构完全依赖硬件，可移植性差。
  2. 直接用cpu在高速缓存区高效执行，性能优秀。
  3. 花费更少的指令去完成一项操作。
  4. 指令集一般以一地址指令、二地址指令、三地址指令为主。
  5. 典型的应用是X86的二进制指令集，比如PC和Android和Davlik虚拟机。

6.3 class文件反编译

StackStrTest.java

public class StackStrTest {
    public StackStrTest() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        int i=2;
        int j=3;
        int k = i+j;
    }
}

在StackStrTest.class目录下执行反编译命令

javap -v StackStrTest.class

输出结果

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return

6.4 总结

由于跨平台的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。
栈架构的优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现。
缺点是性能下降，实现同样功能需要更多的指令。

七、JVM的生命周期

7.1 虚拟机启动

JVM的启动时通过引导类加载器(bootstarp class loader)创建一个初始类(initial class)来完成的，这个类是有虚拟机的具体实现指定的。

7.2 虚拟机执行

一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。
程序开始执行时JVM就运行，程序结束时JVM就停止。
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。

public class StackStrTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i=2;
        int j=3;
        int k = i+j;

        try {
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("down!");
    }
}

在命令行执行Jps，查看当前运行的Java进程

13908 Launcher
32324
41444 Jps
34280 StackStrTest
32236 KotlinCompileDaemon

7.3 虚拟机退出

  1. 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. 由于操作系统出现而Java虚拟机进程终止。
  4. 某线程调用Runtime类或System类的exit/halt方法，并且Java安全管理器也允许这次操作。

八、JVM的发展历程

历史JVM

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三大主流JVM

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两款专用JVM

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国内JVM

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安卓虚拟机

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展望

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Q.E.D.

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