虛擬機(jī)

1.1 發(fā)展歷程

1.1.1 java往事

? Java誕生在一群懶惰、急躁而傲慢的程序天才之中。

主要從事網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)、PC網(wǎng)站建設(shè)（電腦版網(wǎng)站建設(shè)）、wap網(wǎng)站建設(shè)（手機(jī)版網(wǎng)站建設(shè)）、響應(yīng)式網(wǎng)站、程序開(kāi)發(fā)、微網(wǎng)站、微信小程序等，憑借多年來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)的打拼，我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)網(wǎng)站建設(shè)行業(yè)積累了豐富的成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、網(wǎng)站制作、網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)驗(yàn)，集策劃、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、營(yíng)銷(xiāo)、管理等多方位專(zhuān)業(yè)化運(yùn)作于一體，具備承接不同規(guī)模與類(lèi)型的建設(shè)項(xiàng)目的能力。

? 1990年12月，Sun的工程師Patrick Naughton被當(dāng)時(shí)糟糕的Sun C++工具折磨的快瘋了。他大聲抱怨，并威脅要離開(kāi)Sun轉(zhuǎn)投當(dāng)時(shí)在Steve Jobs領(lǐng)導(dǎo)之下的NeXT公司。領(lǐng)導(dǎo)層為了留住他，給他一個(gè)機(jī)會(huì)，啟動(dòng)了一個(gè)叫做Stealth（秘密行動(dòng)）的項(xiàng)目。

? 隨著James Gosling等人的加入，這個(gè)項(xiàng)目更名為Green。其目標(biāo)是使用C++為嵌入式設(shè)備開(kāi)發(fā)一種新的基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)，James Gosling本人負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)一個(gè)編輯器。正如人們事后分析的那樣，這位天才的程序員太懶惰，所以沒(méi)有把C++學(xué)好，開(kāi)發(fā)中碰了一頭包。于是他決定開(kāi)發(fā)一種新的編程語(yǔ)言。他把這種語(yǔ)言命名為C++++--，意思是C++ “加上一些好東西，減去一些壞東西”。顯然這個(gè)糟糕的名字不可能長(zhǎng)久，于是很快這種頗受同伴喜愛(ài)的小語(yǔ)言被命名為Oak。

? 到了1992年9月，Oak語(yǔ)言連同Green OS和一些應(yīng)用程序一起發(fā)布在稱(chēng)做Start 7的小設(shè)備上，有了第一次精彩的亮相。隨后，Sun開(kāi)了一家名為FirstPerson的公司，整個(gè)團(tuán)隊(duì)被轉(zhuǎn)移到這家公司里研發(fā)機(jī)頂盒，以投標(biāo)時(shí)代華納公司的一個(gè)項(xiàng)目。這幫天才被技術(shù)狂熱所鼓舞，開(kāi)發(fā)出了一個(gè)高交互性的設(shè)備，結(jié)果沒(méi)想到時(shí)代華納公司和有線電視服務(wù)商并不愿意用戶擁有那么大的控制權(quán)，從而在競(jìng)標(biāo)之戰(zhàn)中敗給了SGI。

? Sun無(wú)奈地關(guān)閉了FirstPerson，召回了整個(gè)團(tuán)隊(duì)，java的出路卻沒(méi)有因此而斷送，隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的涌動(dòng)，java開(kāi)始離開(kāi)嵌入式小設(shè)備，往互聯(lián)網(wǎng)傾斜。1994年，Oak被命名為Java，回到了激情澎湃的IT產(chǎn)業(yè)，抓住互聯(lián)網(wǎng)的大潮，從此一發(fā)不可收拾。

? 剩下的事情，大家都知道了……

1.1.2 版本迭代

• 1991 年，James Gosling 博士發(fā)布產(chǎn)品 Oak（ 橡樹(shù)），這是 Java 語(yǔ)言的前身。

• 1995 年，Oak 語(yǔ)言改名為 Java。

• 1996 年，JDK（Java開(kāi)發(fā)所使用的工具包）1.0 發(fā)布，提供了純解釋執(zhí)行的 Java 虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)：Sun Classic VM。

• 1997 年，JDK1.1 發(fā)布，代表技術(shù)有：JDBC、JavaBeans、內(nèi)部類(lèi)、反射。

• 1998 年，JDK1.2 發(fā)布，Java 技術(shù)體系被拆分為 J2SE、J2EE、J2ME 三大體系。

  • 2000 年，JDK1.3 發(fā)布，默認(rèn)的 Java 虛擬機(jī)由 Sun Classic VM 改為 HotSopt。

• 2002 年，JDK1.4 發(fā)布，Java 真正走向成熟，代表技術(shù)有：正則表達(dá)式、NIO等。

• 2004 年，JDK5.0 發(fā)布，對(duì)語(yǔ)法易用性做了很大改進(jìn)，新增了泛型、枚舉等，代表技術(shù)有：并發(fā)包等。

• 2006 年，JDK6.0 發(fā)布，將 J2EE/J2SE/J2ME 的命名方式改為 Java SE 6、Java EE 6、Java ME 6。

• 2009 年，Sun 公司因?yàn)榻?jīng)營(yíng)不善被 Oracle 公司收購(gòu)。

• 2011 年，JDK7 發(fā)布。

• 2013 年，JDK8（LTS） 發(fā)布，函數(shù)式編程，lamda表達(dá)式。

• 2017年，JDK9

• 2018年，JDK 10，11（LTS）正式發(fā)布

• 2019年，JDK 12，13

• 2020年，JDK 14，15

• 2021年，JDK 16，17（LTS）

附：sun與微軟的軼事
java誕生的1995年，正是微軟在軟件產(chǎn)業(yè)地位達(dá)到巔峰的時(shí)代。但是這個(gè)初出茅廬的毛頭小子硬是引起了微軟帝國(guó)的關(guān)注。所以96年微軟就向sun申請(qǐng)了java認(rèn)證。
微軟的加持確實(shí)推動(dòng)了人們對(duì)java的信心和興趣。
但是好景不長(zhǎng)，從1997年發(fā)布Visual J++的第一個(gè)版本開(kāi)始，微軟就開(kāi)始在Java中摻入自己的私有擴(kuò)展。這毫無(wú)疑問(wèn)引起Sun的高度重視。
1997年10月，Sun向美國(guó)加州地方法院起訴微軟公司違反兩公司就微軟使用Java技術(shù)所簽定的合同，指控微軟公司在自己的Java產(chǎn)品中做了“不恰當(dāng)?shù)男薷摹保`反了合同中承諾向用戶提供Java兼容產(chǎn)品的條款。
這一官司一直打到了2001年1月雙方達(dá)成和解。
到了2001年7月，微軟公布新版的Windows XP將不再支持Sun的JVM，并且推出了.NET平臺(tái)與Java分庭抗禮。
當(dāng)然目前.net用的人少了，這是后話。

1.1.3 兩種jdk

openjdk vs oraclejdk：

1. Oracle JDK將更多地關(guān)注穩(wěn)定性，它重視更多的企業(yè)級(jí)用戶，而OpenJDK經(jīng)常發(fā)布以支持其他特性，不太穩(wěn)定。
2. Oracle JDK支持長(zhǎng)期發(fā)布的更改（LTS），而Open JDK僅支持計(jì)劃和完成下一個(gè)發(fā)行版。
3. Oracle JDK根據(jù)二進(jìn)制代碼許可協(xié)議獲得許可，而OpenJDK根據(jù)GPL v2許可獲得許可。
4. 2019年1月之后發(fā)布的Oracle Java SE 8的公開(kāi)更新將無(wú)法用于商業(yè)，但是，OpenJDK是完全開(kāi)源的，可以自由使用。
5. Oracle JDK的構(gòu)建過(guò)程基于OpenJDK，因此OpenJDK與Oracle JDK之間沒(méi)有技術(shù)差異。
6. 頂級(jí)公司正在使用Oracle JDK，Open JDK不太受歡迎。
7. Oracle JDK具有良好的GC選項(xiàng)和更好的渲染器，而OpenJDK具有更少的GC選項(xiàng)
8. 在響應(yīng)性和JVM性能方面，Oracle JDK提供了更好的性能。
9. Oracle JDK在運(yùn)行JDK時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何問(wèn)題，而OpenJDK有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。
10. Oracle JDK將從其10.0.X版本將收費(fèi)，用戶必須付費(fèi)或必須依賴OpenJDK才能使用其免費(fèi)版本。
11. Oracle JDK完全由Oracle公司開(kāi)發(fā)，而Open JDK項(xiàng)目由IBM，Apple，SAP AG，Redhat等頂級(jí)公司加入和合作。

1.2 JVM體系

• JDK（Java Development Kit）是 Java語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)工具包，也是整個(gè)java開(kāi)發(fā)的核心，它包含了JRE和開(kāi)發(fā)工具包

• JRE（Java Runtime Environment），Java運(yùn)行環(huán)境，包含了JVM和Java的核心類(lèi)庫(kù)（Java API）

• JVM（Java Virtual Machine），Java虛擬機(jī)，它是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒(méi)有直接的交互

所謂“一次編碼，隨處運(yùn)行“正是基于不同系統(tǒng)下的jvm幫你掩蓋了系統(tǒng)之間接口的差異：

總結(jié)

jdk是開(kāi)發(fā)人員的工具包，它包含了java的運(yùn)行環(huán)境和虛擬機(jī)，而一次編寫(xiě)到處運(yùn)行就是基于jvm

1.3 各種虛擬機(jī)

1.3.1 清單

1、Sun Classic VM

? 世界上第一款商用 Java 虛擬機(jī)。

1996年隨著Java1.0的發(fā)布而發(fā)布，JDK1.4時(shí)完全被淘汰

2、BEA JRockit

專(zhuān)注于服務(wù)端應(yīng)用，號(hào)稱(chēng)是世界上最快的JVM

? 后來(lái)被 Oracle收購(gòu)；Oracle JRockit （原來(lái)的 Bea JRockit）

3、IBM公司的 J9VM

全稱(chēng)：IBM Technology for Java Virtual Machine，簡(jiǎn)稱(chēng)IT4J，內(nèi)部代號(hào)：J9

是 IBM 自己開(kāi)發(fā)的一款 JVM

市場(chǎng)定位于HotSpot接近，服務(wù)器端、桌面應(yīng)用、嵌入式等多用途VM

4、HotSpot VM（現(xiàn)在最常用）

? 它是Sun JDK和OpenJDK中所帶的虛擬機(jī)，也是目前使用范圍最廣的Java虛擬機(jī)。

5、其他

（TaobaoJVM 、Graal VM、Azul VM、Liquid VM、Apache Harmony、）虛擬機(jī)

1.3.2 查看

shawn@macpro:~ > java -version
java version "1.8.0_181"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_181-b13)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.181-b13, mixed mode)

• hotspot虛擬機(jī)

• Client VM是專(zhuān)門(mén)為快速啟動(dòng)和小內(nèi)存(small footprints)而優(yōu)化的，像GUI就很適合

• Server VM是專(zhuān)門(mén)為高性能應(yīng)用而優(yōu)化的，如服務(wù)器應(yīng)用

• 版本是基于tag為1.8.0_181

1.4 jvm整體架構(gòu)

1.4.1 java運(yùn)行過(guò)程

1.源碼編譯：通過(guò)Java源碼編譯器將Java代碼編譯成JVM字節(jié)碼（.class文件）

2.類(lèi)加載：通過(guò)ClassLoader及其子類(lèi)來(lái)完成JVM的類(lèi)加載

3.類(lèi)執(zhí)行：字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，進(jìn)入JVM虛擬機(jī)，被解釋器解釋執(zhí)行

1.4.2 jvm模型

由上面的圖可以看出，JVM虛擬機(jī)中主要是由三部分構(gòu)成，分別是類(lèi)加載子系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎。

類(lèi)加載子系統(tǒng)

Java虛擬機(jī)把描述類(lèi)的數(shù)據(jù)從Class文件加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的Java類(lèi)型。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過(guò)程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。

這些區(qū)域有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷(xiāo)毀的時(shí)間，有的區(qū)域隨著虛擬機(jī)進(jìn)程的啟動(dòng)而一直存在，有些區(qū)域則是依賴用戶線程的啟動(dòng)和結(jié)束而建立和銷(xiāo)毀。

執(zhí)行引擎

執(zhí)行引擎用于執(zhí)行JVM字節(jié)碼指令，主要有兩種方式，分別是解釋執(zhí)行和編譯執(zhí)行，區(qū)別在于，解釋執(zhí)行是在執(zhí)行時(shí)翻譯成虛擬機(jī)指令執(zhí)行，而編譯執(zhí)行是在執(zhí)行之前先進(jìn)行編譯再執(zhí)行。

解釋執(zhí)行啟動(dòng)快，執(zhí)行效率低。編譯執(zhí)行，啟動(dòng)慢，執(zhí)行效率高。

垃圾回收器就是自動(dòng)管理運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)存，將無(wú)用的內(nèi)存占用進(jìn)行清除，釋放內(nèi)存資源。

本地方法庫(kù)、本地庫(kù)接口

在jdk的底層中，有一些實(shí)現(xiàn)是需要調(diào)用本地方法完成的（使用c或c++寫(xiě)的方法），就是通過(guò)本地庫(kù)接口調(diào)用完成的。比如：System.currentTimeMillis()方法。

2、類(lèi)文件結(jié)構(gòu)

了解jvm后續(xù)的一切動(dòng)作，先從字節(jié)碼開(kāi)始。它是一切發(fā)生的源頭。

2.1 測(cè)試案例

2.1.1 源代碼

package com.itheima.jvm.demo;

public class ClassStruct {

    private static String name = "JVM";

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello " + name);
    }

}

2.1.2 編譯

1）maven定義編譯的版本

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <source>1.8</source>
                    <target>1.8</target>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

2）編譯

mvn clean compile

2.2 字節(jié)碼結(jié)構(gòu)

2.2.1 二進(jìn)制概覽

1）vscode打開(kāi)

2）class文件是一個(gè)二進(jìn)制文件，轉(zhuǎn)化后是16進(jìn)制展示，實(shí)際上class文件就是一張表，它由以下數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成，這些數(shù)據(jù)項(xiàng)從頭到尾嚴(yán)格按照以下順序排列：

類(lèi)型	名稱(chēng)	數(shù)量	描述
u4	magic	1	魔數(shù)
u2	minor_version	1	次版本號(hào)
u2	major_version	1	主版本號(hào)
u2	constant_pool_count	1	常量個(gè)數(shù)
cp_info	constant_pool	constant_pool_count - 1	具體常量
u2	access_flags	1	訪問(wèn)標(biāo)志
u2	this_class	1	類(lèi)索引
u2	super_class	1	父類(lèi)索引
u2	interfaces_count	1	接口索引
u2	interfaces	interfaces_count	具體接口
u2	fields_count	1	字段個(gè)數(shù)
field_info	fields	fields_count	具體字段
u2	methods_count	1	方法個(gè)數(shù)
method_info	methods	methods_count	具體方法
u2	attributes_count	1	屬性個(gè)數(shù)
attribute_info	attributes	attributes_count	具體屬性

3）圖示如下：

2.2.2 魔數(shù)與版本

1）魔數(shù)：

CAFEBABE，咖啡寶寶，固定的。

2）版本號(hào)：

34，換成10進(jìn)制就是52

jdk的版本標(biāo)記映射關(guān)系：

說(shuō)明編譯用的是jdk8，我們改成1.6，重新執(zhí)行 mvn clean compile ，再來(lái)查看class文件試試：

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <source>1.6</source>
                    <target>1.6</target>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

擴(kuò)展

在開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常會(huì)遇到類(lèi)似Unsupported major.minor version 51.0的錯(cuò)誤，一般情況下都是JDK版本不匹配造成的。
雖然jdk代碼在執(zhí)行時(shí)基本上向下兼容，但是！開(kāi)發(fā)環(huán)境和服務(wù)器環(huán)境jdk最好一致，不要嘗試這個(gè)坑。

區(qū)分和理解兩個(gè)環(huán)境：編譯環(huán)境，運(yùn)行環(huán)境

2.2.3 常量池

再往下遵從相同的規(guī)律： 計(jì)數(shù)器（標(biāo)注后面有多少個(gè)） + 對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的結(jié)構(gòu)體

我們以常量池為例：

1）位置

2）結(jié)構(gòu)說(shuō)明

常量池記錄了jvm內(nèi)的一堆常量信息，這部分由 【2個(gè)字節(jié)計(jì)數(shù)】 + 【n個(gè)cp_info結(jié)構(gòu)】組成

其中cp_info有多種類(lèi)型：

• 直接類(lèi)型，存的就是當(dāng)前值，這種像Integer，Long等長(zhǎng)度都是確定的
• 引用類(lèi)型，存的是指向其他位置的指針

附：綠色代表指針，橙色代表直接類(lèi)型

3）案例

下面以String為例，String是一種引用類(lèi)，它會(huì)指向一個(gè)utf8類(lèi)型來(lái)存儲(chǔ)真實(shí)的信息

jdk提供了一個(gè)工具，javap，可以查看常量列表的詳細(xì)內(nèi)容：

javap -v ClassStruct.class

2.2.4 其他信息

1）說(shuō)明

常量池之后，是緊挨的一系列信息，這些信息大同小異，無(wú)非就是值、或者引用

（參考上面2.3.3里的表格和圖例）

• 訪問(wèn)標(biāo)記：public abstract 等信息
• 類(lèi)索引，class類(lèi)型，最終指向一個(gè)utf8，標(biāo)記當(dāng)前類(lèi)的名字
• 父類(lèi)，同上
• 接口，2字節(jié)記錄數(shù)量，后面記錄多個(gè)接口類(lèi)型
• 接下來(lái)是字段、方法、屬性，都是2字節(jié)記錄后面多少個(gè)，后面緊跟對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體類(lèi)型

2）注意事項(xiàng)

要看懂javap后的格式，明白這些格式，可以輕松看懂class結(jié)構(gòu)

類(lèi)型	標(biāo)識(shí)符	案例	說(shuō)明
數(shù)組	[	[Ljava.lang.String	String數(shù)組
對(duì)象	L	Lcom.test.Demo
基本類(lèi)型	大寫(xiě)字母開(kāi)頭	B=byte，I=int……

組合類(lèi)型

類(lèi)型	案例	說(shuō)明
類(lèi)里的屬性、字段、方法等	com.test.Demo.name:Ljava.lang.String	英文點(diǎn)號(hào)隔開(kāi)
標(biāo)識(shí)什么類(lèi)型	com.test.Demo.getName:()Ljava.lang.String	英文冒號(hào)隔開(kāi)
方法	(參數(shù)類(lèi)型)返回值類(lèi)型	英文括弧，后面是返回值類(lèi)型

3）實(shí)例分析

本文由傳智教育博學(xué)谷教研團(tuán)隊(duì)發(fā)布。

如果本文對(duì)您有幫助，歡迎關(guān)注和點(diǎn)贊；如果您有任何建議也可留言評(píng)論或私信，您的支持是我堅(jiān)持創(chuàng)作的動(dòng)力。

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