【JVM系统学习之路系列】 JVM 概述篇

JVM系统学习之路系列演示代码地址：
https://github.com/mtcarpenter/JavaTutorial

前言

大家好，我是小春哥，前面我用了10多个章节对并发编程 JUC 相关知识进行梳理，如果对 JUC知识还不了解的同学，关注我的公众号【山间木匠】从菜单底部可直达，从本篇文章开始更新 JVM 相关知识点，每一个JAVA 开发者应该都能深刻体会，多线程、并发、JVM 是难点也是痛点。

国内学习 JVM 虚拟机的人几乎是人手一本，周志明大神的“深入理解Java虚拟机”书籍。我第一次看《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》看完了就忘了，对于大部分知识仍然茫然不解。后面我在年轻人都爱的学习平台 B 站找到了不错的视频，尚硅谷2020最新版宋红康JVM教程,目前也更新 300 多集，对于小白入门学习 JVM 很有帮助。【JVM系统学习之路】将根据 尚硅谷2020最新版宋红康JVM教程章节编写博客。

推荐书籍和视频
视频：尚硅谷2020最新版宋红康JVM教程B站地址:https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ
书籍：《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》
《垃圾回收的算法与实现》
《Java虚拟机规范（Java SE 8版）》

为什么学习需要 JVM

运行着的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接 OOM！

想解决线上JVM GC问题，但却无从下手
新项目上线，对各种 JVM 参数设置一脸茫然，直接默认，运行一段时间就挂了
每次面试之前都要重新背一遍JVM的一些原理概念性的东西，然而面试官却经常问你在实际项目中如何调优VM参数，如何解决GC、OOM等问题，一脸懵逼
中高级程序员必备技能
- 项目管理、调优的需求
追求极客的精神
- 比如：垃圾回收算法、JIT（及时编译器）、底层原理

计算器是如何识别高级语言

架构师每天都在思考什么？

应该如何让我的系统更快？
如何避免系统出现瓶颈？
参与现有系统的性能优化，重构，保证平台性能和稳定性
根据业务场景和需求，决定技术方向，做技术选型
能够独立架构和设计海量数据下高并发分布式解决方案，满足功能和非功能需求
解决各类潜在系统风险，核心功能的架构与代码编写
分析系统瓶颈，解决各种疑难杂症，性能调优等

JVM 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 以及 Java 社区的不断壮大 Java 也早已不再是简简单单的一门计算机语言了，它更是一个平台、一种文化、一个社区。

作为一个平台， Java 虚拟机扮演着举足轻重的作用
- Groovy 、 Scala 、 JRuby 、 Kotlin 等都是 Java 平台的一部分
Java 几乎成为了“开源”的代名词。
- 第三方开源软件和框架。如 Tomcat 、 Struts ， MyBatis ， Spring 等。
- 就连JDK和JVM自身也有不少开源的实现，如 openJDK 、 Harmony 。
作为一个社区， Java 拥有全世界最多的技术拥护者和开源社区支持，有数不清的论坛和资料。从桌面应用软件、嵌入式开发到企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到 Java 的身影。其应用形式之复杂、参与人数之众多也令人咋舌。

Java 发展史

从Java的第一个版本诞生到现在已经有二十余年的时间，白驹过隙，沧海桑田，转眼已过了四分之一个世纪，在图1-3所示的时间线里，我们看到JDK的版本已经发展到了JDK 13。这二十多年里诞生过无数与Java相关的产品、技术与标准。现在让我们走入时间隧道，从孕育Java语言的时代开始，再来回顾一下Java的发展轨迹和历史变迁。

1990年，在Sun计算机公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team，开发出的新的程序语言，命名为oak，后期命名为Java
1995年，Oak语言改名为Java，并且在SunWorld大会上正式发布Java 1.0版本。Java语言第一次提出了“Write Once，Run Anywhere”的口号。
。
1996年1月23日，JDK 1.0发布，Java语言有了第一个正式版本的运行环境。
1997年2月19日，Sun公司发布了JDK 1.1。JDK 1.1版的技术代表有：JAR文件格式、JDBC、JavaBeans、RMI等。
1998年，JDK迎来了一个里程碑式的重要版本，JDK1.2版本发布。同时，sun发布了JSP/Servlet、EJB规范，以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。
2000年，JDK1.3发布，Java HotSpot Virtual Machine正式发布，成为Java的默认虚拟机。
2002年，JDK1.4发布，古老的Classic虚拟机退出历史舞台。
2003年年底，Java平台的scala正式发布，同年Groovy也加入了Java阵营。
2004年，JDK1.5发布。同时JDK1.5改名为JavaSE5.0。
2006年，JDK6发布。同年，Java开源并建立了openJDK。顺理成章，Hotspot虚拟机也成为了openJDK中的默认虚拟机。
2007年，Java平台迎来了新伙伴Clojure。
2008年，oracle收购了BEA，得到了JRockit虚拟机。
2009年，Twitter宣布把后台大部分程序从Ruby迁移到scala，这是Java平台的又一次大规模应用。
2010年，oracle收购了sun，获得Java商标和最真价值的HotSpot虚拟机。此时，oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机HotSpot和JRockit，并计划在未来对它们进行整合：HotRockit
2011年，JDK7发布。在JDK1.7u4中，正式启用了新的垃圾回收器G1。
2017年，JDK9发布。将G1设置为默认Gc，替代CMS
同年，IBM的J9开源，形成了现在的open J9社区
2018年，Android的Java侵权案判决，Google赔偿oracle计88亿美元
同年，oracle宣告JavagE成为历史名词JDBC、JMS、Servlet赠予Eclipse基金会
同年，JDK11发布，LTS版本的JDK，发布革命性的zGc，调整JDK授权许可
2019年，JDK12发布，加入RedHat领导开发的shenandoah GC

OpenJDK和Oracle JDK 的区别

在JDK11之前，oracleJDK 中还会存在一些 openJDK 中没有的、闭源的功能。但在 JDK11中，我们可以认为openJDK和oracleJDK代码实质上已经完全一致的程度。

虚拟机与Java虚拟机

虚拟机

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 Visual Box ， Mware 就属于系统虚拟机，它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我们称为 Java 字节码指令。

无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

Java虚拟机

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。
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。
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。
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。
特点：

一次编译，到处运行
自动内存管理
自动垃圾回收功能

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

Java的体系结构

JVM整体结构

HotSpot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
它采用解释器与即时编译器并存的架构。
在今天，Java程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。

执行引擎包含三部分：解释器，及时编译器，垃圾回收器

Java代码执行流程

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：
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

基于寄存器架构的特点

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，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。

欢迎关注公众号 山间木匠， 我是小春哥，从事 Java 后端开发，会一点前端、通过持续输出系列技术文章以文会友，如果本文能为您提供帮助，欢迎大家关注、点赞、分享支持，我们下期再见！<br />