【从零开始学习JVM | 第一篇】快速了解JVM

本文介绍: 在探索现代软件开发的丰富生态系统时，我们不可避免地会遇到一个强大而神秘的存在——Java虚拟机（JVM）。作为Java语言最核心的组成之一，JVM已经超越了其最初的设计目标，成为一个多语言的运行平台，支撑着企业级应用、大数据处理、移动应用等众多领域的技术栈。JVM的独特之处在于它的架构设计，它不仅负责代码的执行，还包括了内存管理、垃圾回收、线程同步等高级功能，这些都是确保高效、稳定运行Java程序的关键因素。

前言：

在探索现代软件开发的丰富生态系统时，我们不可避免地会遇到一个强大而神秘的存在——Java虚拟机（JVM）。作为Java语言最核心的组成之一，JVM已经超越了其最初的设计目标，成为一个多语言的运行平台，支撑着企业级应用、大数据处理、移动应用等众多领域的技术栈。

JVM的独特之处在于它的架构设计，它不仅负责代码的执行，还包括了内存管理、垃圾回收、线程同步等高级功能，这些都是确保高效、稳定运行Java程序的关键因素。随着时间的推移，JVM经过不断的迭代和优化，集成了越来越多先进的性能改进技术，如即时编译（JIT）、热点代码检测、逃逸分析等。

而在本文中，我将为大家从基础层面介绍一下JVM，带领大家揭开JVM的神秘面纱。

什么是JVM

Java虚拟机（JVM）是一个可以执行Java字节码的虚拟计算机。它是Java平台的核心部分，负责运行以Java编程语言编写并编译为Java字节码（.class文件）的程序。JVM的存在使得Java语言能够实现其标志性的“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere，WORA）的特性，因为JVM屏蔽了底层操作系统和硬件平台的差异。

我们可以通过以下流程图来了解JVM在JAVA程序中的作用

总结来讲：我们平时自己写的代码需要编译后转为字节码，而JVM再将字节码转为机器码，提交给电脑进行运行。而JVM的功能也不止这些。

1.JVM的功能：

跨平台性：Java语言使用“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere，WORA）的理念，JVM是这一理念的实现基础。开发者只需编写一次Java代码，然后编译成与平台无关的字节码文件，这些字节码可以在任何安装了兼容JVM的设备上运行。
内存管理：JVM管理Java程序运行时所需的内存。它包括堆内存（Heap）用于存储对象实例，栈内存（Stack）用于存储局部变量和调用方法的上下文，方法区（Method Area）用于存储类信息，以及其他如程序计数器等结构。JVM还负责垃圾回收（Garbage Collection），自动管理对象的生命周期，回收不再使用的对象占用的内存空间。
执行引擎：JVM中的执行引擎负责解释字节码或通过即时编译器（Just-In-Time Compiler, JIT）将字节码转换为本地机器码执行，从而提高程序的性能。
安全性：JVM提供了一个相对封闭和安全的执行环境，可以对加载的字节码进行验证，确保其不会执行非法操作。JVM的安全管理器和类加载器也参与到安全检查中，防止恶意代码损害系统。
多语言支持：虽然JVM最初是为Java语言设计的，但现在它也支持其他语言，如Scala、Kotlin、Groovy等，甚至支持非JVM语言通过特定桥接技术运行在JVM上，如JRuby（Ruby语言的实现）和Jython（Python语言的实现）。
工具和生态系统：JVM提供了丰富的工具和API，如JConsole、VisualVM等，用于监控和调试运行在JVM上的程序。此外，围绕JVM形成了强大的生态系统，包括各种框架、库和工具，这些都大大增强了Java开发的便捷性和效率。

在这些功能中，即时编译是提升JAVA运行效率的最核心手段，因此我们这里来详细介绍一下即时编译：

即时编译：

在程序运行时将热点代码（经常执行的代码区域）编译成与本地平台相关的机器码，并且保存在本地。这样的话，当这些代码再次执行时就可以直接运行机器码，而不需要再次解释，从而大大提高了执行效率。

即时编译的步骤：

热点探测：JIT编译器会监控哪些代码块（如方法或循环）被频繁执行，这些代码块被称为“热点代码”。
编译优化：当热点代码被识别后，JIT编译器会将这些代码编译成优化后的本地机器码。这个过程中，JIT编译器还会进行各种优化，比如内联展开、死码消除、循环优化等，以进一步提升性能。
代码替换：编译完成后，JVM会使用生成的机器码替换原先的字节码，之后的执行就不再需要解释器参与。
垃圾回收：即时编译生成的机器码也需要管理，当某部分代码不再是热点代码，或者JVM需要释放资源时，JIT编译器生成的机器码可能会被垃圾回收器清理掉。

2.常见的JVM：

Oracle HotSpot JVM：这是目前最流行的JVM实现，是Oracle公司的产品。HotSpot JVM具有良好的性能和可靠性，并且具有广泛的平台支持。
OpenJDK JVM：这是一个开源的JVM实现，是Oracle HotSpot JVM的基础。OpenJDK JVM由全球开发者社区维护和更新，提供了一种免费的Java运行环境。
IBM JVM：这是IBM（国际商业机器公司）开发的JVM实现，具有较高的性能和可靠性。IBM JVM主要用于IBM的服务器和企业级应用程序。
Azul Zing JVM：这是由Azul Systems开发的JVM实现，专注于提供卓越的性能和可伸缩性。Azul Zing JVM适用于高要求的应用程序，如金融交易系统和大规模数据处理。
GraalVM：这是一种新型的JVM实现，由Oracle开发。GraalVM是一款高性能的JVM，同时还支持其他编程语言，如JavaScript、Python和Ruby。

我们可以使用cmd快速查看自己的虚拟机：

这里标识我的虚拟机是 OpenJDK 11.0.16.1版本的Java虚拟机（JVM），并且它是64位的服务器版（Server VM）。这个特定的JVM构建是由Microsoft维护或构建的，支持混合模式执行（mixed mode），即能够在JIT编译模式和解释模式之间切换，以便在不同的场景下提供最佳性能。

3.JVM的组成部分：

类加载器子系统（Class Loader Subsystem）：
- 负责从文件系统或网络等来源加载Class文件，Class文件在文件形式中是以二进制流的形式存在的，类加载器读取这些字节流，并将其转换成方法区的运行时数据结构。
- 在加载的过程中，类加载器还负责对字节码进行验证，确保其符合JVM规范，不会危害到JVM自身的安全。
- 类加载器通常分为启动（Bootstrap）类加载器、扩展（Extension）类加载器和应用程序（Application）类加载器等。
运行时数据区（Runtime Data Areas）：
- 方法区（Method Area）：存储每一个类的结构信息，如运行时常量池（Runtime Constant Pool）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容等。
- 堆（Heap）：JVM管理的最大一块内存区域，用于存放对象实例和数组，是垃圾收集器管理的主要区域。
- 栈（Stacks）：每个线程包含一个栈，用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法调用都会创建一个栈帧。
- 程序计数器（Program Counter Register）：每个线程都有一个程序计数器，是一块较小的内存空间，它指示了线程当前正在执行的JVM指令地址。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：专门用于处理本地方法的调用。
执行引擎（Execution Engine）：
- 负责执行类文件中的指令。当执行引擎接收到字节码时，它会进行解释或编译（通过即时编译器，JIT）成为本地机器指令执行。
- 包括解释器（Interpreter）和即时编译器（Just-In-Time Compiler, JIT）两部分。解释器快速解释执行字节码，而JIT编译器则可以提高性能，将热点代码（经常执行的代码）编译成与本地平台相关的机器码。
垃圾回收器（Garbage Collector）：
- 用于自动管理JVM内存，特别是堆内存的分配与释放。当对象不再被引用时，垃圾回收器会回收这些对象占用的内存空间，释放资源。
本地方法接口（JNI）与本地方法库（Native Libraries）：
- Java Native Interface（JNI）是一个框架，允许Java代码和其他语言写的代码互相调用，比如C/C++编写的应用程序或库。
- 本地方法库是一组特定于特定操作系统的库，由JNI调用，用于执行那些不能直接用Java实现的任务。