JVM结构与机制

一、JVM是什么

Java虚拟机（Java Virtual Machine），一种可以运行字节码的虚拟机，将字节码解释成不一样os下的机器指令，有了jvm，java语言在不一样平台上运行时不须要从新编译，即平台无关性。

原理：编译后的 Java 程序指令并不直接在硬件系统的 CPU 上执行，而是由 JVM 执行。JVM屏蔽了与具体平台相关的信息，使Java语言编译程序只须要生成在JVM上运行的目标字节码（.class）,知足了高级语言要求的可移植性、可传输性、预编译等等需求。

一、以 Java 为例，咱们在文本编译器写好了 Java 代码，交由「编译器」编译成 Java Bytecode。而后 Bytecode 交由 JVM 来执行，这时候 JVM 充当了「解释器」的角色，在解释 Bytecode 成 Machine Code 的同时执行它，返回结果。 二、以 BASIC 语言（早期的能够由计算机直译的语言）为例，经过文本编译器编写好，不用经历「编译」的过程，就能够直接交由操做系统内部来进行「解释」而后执行。 三、以 C 语言为例，咱们在文本编译器编写好源代码，而后运行 gcc hello.c 编译出 hello.out 文件，该文件由一系列的机器指令组成的机器码，能够直接交由硬件来执行。

1.2 jvm的启动流程

jvm.cfg
-server KNOWN
-client IGNORE
-hotspot ALIASED_TO -server
-classic WARN
-native ERROR
-green ERROR

KNOWN 表示存在 、IGNORE 表示不存在 、ALIASED_TO 表示给别的JVM去一个别名 WARN 表示不存在时找一个替代 、ERROR 表示不存在抛出异常

1.3 jvm的优点，其余语言选择在JVM实现

目前有不少语言选择了jvm，好比说Scala，Kotlin，Ceylon，Xtend，Groovy，Clojure;
JVM通过长期的发展，已经足够成熟和完备。一个完整的语言包括 前端、优化、后端、runtime、库 JVM 把后面四个都给包办了。

• 很是经济地实现跨平台。语言编译器只须要输出 JVM 字节码就能够。跨平台须要极大的工做量，举个例子，只是独立开发生成本地代码，就须要花费大量精力去针对不一样平台和处理器进行优化 。
• JVM 卓越的 JIT （Just-In-Time 即时编译）性能。 JIT 能够在运行中记录程序运行的特征，并在其基础上作大量的优化（Java 企业级应用的优秀性能很大程度上是由此而来）。 JIT 自从 HotSpot JVM 随 Java 1.2 发布以来，JVM JIT 的性能不断提升，是无可争议的成功产品。把 JVM 做为目标平台意味着大量的性能优化工做能够「外包」给 JVM 来作，大大缩减了 Guest 语言的开发预算。
• 已经有多个成熟的实例，有大量的经验能够借鉴
• JVM 做为一个成熟的高层运行环境，为 Guest 语言提供了不少运行时所须要的服务，好比内存管理（有业界领先的垃圾回收等），很大程度上避免了额外的独立开发。
• JVM 有多个独立实现，也有若干厂商会持续推动，资料完备，社区巨大。
• Java 社区有大量成熟的库，通常来讲，运行在 JVM 上的其它语言都会设计一个专用的「桥」来帮助直接使用 Java 的库，对潜在客户来讲是个很好的卖点。
• Java 有还算不错的开发工具和环境。目标为 JVM 的不少语言会考虑用 Java 语言实现（至少在 bootstrap 阶段）。

二、JVM结构

JVM = 类加载器 classloader + 执行引擎 execution engine + 运行时数据区域 runtime data area

在Java虚拟机的规范中定义了一系列的子系统、内存区域、数据类型和使用指南。这些组件构成了Java虚拟机的内部结构，他们不只仅为Java虚拟机的实现提供了清晰的内部结构，更是严格规定了Java虚拟机实现的外部行为。

这里简单介绍一下各个组件的做用

• 类加载器子系统:每个Java虚拟机都由一个类加载器子系统（class loader subsystem），负责加载程序中的类型（类和接口），并赋予惟一的名字。每个Java虚拟机都有一个执行引擎（execution engine）负责执行被加载类中包含的指令。

• 程序的执行须要必定的内存空间，如字节码、被加载类的其余额外信息、程序中的对象、方法的参数、返回值、本地变量、处理的中间变量等等。Java虚拟机将 这些信息通通保存在数据区data areas中。虽然每一个Java虚拟机的实现中都包含数据区，可是Java虚拟机规范对数据区的规定却很是的抽象。许多结构上的细节部分都留给了 Java虚拟机实现者本身发挥。不一样Java虚拟机实现上的内存结构千差万别。一部分实现可能占用不少内存，而其余如下可能只占用不多的内存；一些实现可 能会使用虚拟内存，而其余的则不使用。这种比较精炼的Java虚拟机内存规约，可使得Java虚拟机能够在普遍的平台上被实现。

• 数据区中的一部分是整个程序共有，其余部分被单独的线程控制。每个Java虚拟机都包含方法区（method area）和堆（heap），他们都被整个程序共享。Java虚拟机加载并解析一个类之后，将从类文件中解析出来的信息保存与方法区中。程序执行时建立的 对象都保存在堆中。 当一个线程被建立时，会被分配只属于他本身的PC寄存器“pc register”（程序计数器）和Java堆栈（Java stack）。当线程不掉用本地方法时，PC寄存器中保存线程执行的下一条指令。Java堆栈保存了一个线程调用方法时的状态，包括本地变量、调用方法的 参数、返回值、处理的中间变量。调用本地方法时的状态保存在本地方法堆栈中（native method stacks），可能再寄存器或者其余非平台独立的内存中。

• Java堆栈有堆栈块（stack frames (or frames)）组成。堆栈块包含Java方法调用的状态。当一个线程调用一个方法时，Java虚拟机会将一个新的块压到Java堆栈中，当这个方法运行结束时，Java虚拟机会将对应的块弹出并抛弃。

• Java虚拟机不使用寄存器保存计算的中间结果，而是用Java堆栈在存放中间结果。这是的Java虚拟机的指令更紧凑，也更容易在一个没有寄存器的设备上实现Java虚拟机。

2.一、解释器

解释器咱们能够理解为，把一种高级语言转换成另外一种语言的程序。在JVM中，解释器即将字节码文件转成机器二进制语言，使咱们的电脑能够直接执行。然而由于每次运行程序时都要先转成另外一种语言再做运行，所以解释器的运行速度可想而知，这也形成了java运行速度比较慢的印象。

从本质上讲，每一个程序都是一台机器的“描述”，而解释器就是在“模拟”这台机器的运转，也就是在进行“计算”。因此从某种意义上讲，解释器就是计算的本质

解释器通常都是“递归程序”。之因此是递归的缘由，在于它处理的数据结构（程序）自己是“递归定义”的结构。

在java1.2版本以后，现在的HotSpot VM中不只内置有解释器，还内置有先进的JIT（Just In Time Compiler）编译器，在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器可以相互协做，各自取长补短

2.二、JIT

HotSpot虚拟机采用了热点代码探测技术：经过计数器找出最具编译价值的代码，通知JIT以方法为单位进行编译。若是方法被频繁调用，则触发标准编译；若是方法中循环次数不少，触发栈上替换编译动做。 HotSpot无需等待本地代码输出后才能执行程序，使得即时编译压力减少，有助于采用更更多的代码优化技术。输出高质量的操做系统本地代码。

为何HotSpot虚拟机要使用解释器与编译器并存的架构？

尽管并非全部的Java虚拟机都采用解释器与编译器并存的架构，但许多主流的商用虚拟机（如HotSpot），都同时包含解释器和编译器。解释器与编译器二者各有优点：当程序须要迅速启动和执行的时候，解释器能够首先发挥做用，省去编译的时间，当即执行。在程序运行后，随着时间的推移，编译器逐渐发挥做用，把愈来愈多的代码编译成本地代码以后，能够获取更高的执行效率。当程序运行环境中内存资源限制较大（如部分嵌入式系统中），可使用解释器执行节约内存，反之可使用编译执行来提高效率。此外，若是编译后出现“罕见陷阱”，能够经过逆优化退回到解释执行。

编译的时间开销

解释器的执行，抽象的看是这样的：

输入的代码 -> [ 解释器 解释执行 ] -> 执行结果

而要JIT编译而后再执行的话，抽象的看则是：

输入的代码 -> [ 编译器 编译 ] -> 编译后的代码 -> [ 执行 ] -> 执行结果

说JIT比解释快，其实说的是“执行编译后的代码”比“解释器解释执行”要快，并非说“编译”这个动做比“解释”这个动做快。 JIT编译再怎么快，至少也比解释执行一次略慢一些，而要获得最后的执行结果还得再通过一个“执行编译后的代码”的过程。 因此，对“只执行一次”的代码而言，解释执行其实老是比JIT编译执行要快。 怎么算是“只执行一次的代码”呢？粗略说，下面两个条件同时知足时就是严格的“只执行一次”

一、只被调用一次，例如类的构造器（class initializer，()）

二、没有循环

对只执行一次的代码作JIT编译再执行，能够说是得不偿失。 对只执行少许次数的代码，JIT编译带来的执行速度的提高也未必能抵消掉最初编译带来的开销。

只有对频繁执行的代码，JIT编译才能保证有正面的收益。 编译的空间开销 对通常的Java方法而言，编译后代码的大小相对于字节码的大小，膨胀比达到10x是很正常的。同上面说的时间开销同样，这里的空间开销也是，只有对执行频繁的代码才值得编译，若是把全部代码都编译则会显著增长代码所占空间，致使“代码爆炸”。 这也就解释了为何有些JVM会选择不老是作JIT编译，而是选择用解释器+JIT编译器的混合执行引擎。

为什么HotSpot虚拟机要实现两个不一样的即时编译器？

HotSpot虚拟机中内置了两个即时编译器：Client Complier和Server Complier，简称为C一、C2编译器，分别用在客户端和服务端。目前主流的HotSpot虚拟机中默认是采用解释器与其中一个编译器直接配合的方式工做。程序使用哪一个编译器，取决于虚拟机运行的模式。HotSpot虚拟机会根据自身版本与宿主机器的硬件性能自动选择运行模式。

用Client Complier获取更高的编译速度，用Server Complier 来获取更好的编译质量。为何提供多个即时编译器与为何提供多个垃圾收集器相似，都是为了适应不一样的应用场景。

开发人员能够经过以下命令显式指定Java虚拟机在运行时到底使用哪种即时编译器，以下所示：

-client：指定Java虚拟机运行在Client模式下，并使用C1编译器；

-server：指定Java虚拟机运行在Server模式下，并使用C2编译器。
复制代码

wiki上总结的jvm产品 https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_Java_virtual_machines

三、经过jclasslib查看字节码文件

字节码转义后能够容易的看出,是如何加载了init方法和add方法。

iload_1 从局部变量0中装载int类型值
iload_2 从局部变量0中装载int类型值
iadd 执行int类型的加法
ireturn 从方法中返回int类型的数据
复制代码

一、[讨论] [HotSpot VM] JIT编译以及执行native http://hllvm.group.iteye.com/group/topic/39806

二、JVM编译器的编译过程 http://blog.csdn.net/tingfeng96/article/details/52261219

三、JVM即时编译（JIT） http://blog.csdn.net/sunxianghuang/article/details/52094859