1. 2011年,JDK7发布,1.7u4中,开始启用新的垃圾回收器G1(但是不是默认)。
    1. 2017年,发布JDK9G1成为默认GC,代替CMS。(一般公司使用jdk8的时候,会通过参数,指定GCG1)
    1. 2018年,发布JDK11,带来了革命性ZGC,性能比较强。

虚拟机介绍

虚拟机,就是虚拟的计算机,可以执行一系列虚拟计算机指令,大体上可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。它们运行时,都会受到虚拟机提供的资源的限制。

  • 系统虚拟机:仿真模拟系统的,比如Visual BoxVMware
  • 程序虚拟机:为执行单个计算机程序设计的,比如Java虚拟机。

JAVA虚拟机

Java虚拟机是一台执行字节码的虚拟机计算机,但是字节码不一定是由Java语言编译而成。但是只要使用这一套虚拟机规则的语言,就可以享受到跨平台,垃圾收集以及可靠的即时编译器。JVM和硬件之间没有直接的交互。

  • 一次编译,到处运行。
  • 自动内存管理
  • 自动垃圾回收

下面是ava平台文档中Java概念图的描述,可以看出javac命令在JDK中,也就是将.java文件编译成为.class文件,这个就是前端编译器,将源文件编译成为字节码。这个编译器不在JRE中,也说明了JRE不包括编译环境。

JRE和JDK都包括了JVM虚拟机。JRE是运行时环境,而JDK包含了开发环境。

JDK7 中java家族的结构组成 : https://docs.oracle.com/javase/7/docs/

JDK7 中java家族的结构组成 : https://docs.oracle.com/javase/8/docs/

JVM结构

上面的图主要包括三部分:类加载器,运行时数据区,执行引擎。

类加载器,主要是将Class文件(已经经过前端编译器编译后的字节码文件),加载到运行时数据区,生成Class对象,这个过程会设计加载,链接,初始化等过程。

运行时区域主要分为:

  • 线程私有(每个线程有一份):
    • 程序计数器:Program Count Register,线程私有,没有垃圾回收
    • 虚拟机栈:VM Stack,线程私有,没有垃圾回收
    • 本地方法栈:Native Method Stack,线程私有,没有垃圾回收
  • 线程共享:
    • 方法区:Method Area,以HotSpot为例,JDK1.8后元空间取代方法区,有垃圾回收。
    • 堆:Heap,垃圾回收最重要的地方。

执行引擎主要包括解释器和即时编译器(热点代码提前编译好,这是后端编译器),垃圾回收器。字节码文件不能直接被机器识别,所以需要执行引擎来做转换。

Java代码执行流程

Java代码变成字节码文件的过程中,其实包含了词法分析,语法分析,语法树,语义分析等一系列操作。

在执行引擎中,有JIT编译器,也就是第二次编译的过程会发生在这里,会将热点代码编译成为机器指令,是按照方法的维度,缓存起来(放在方法区),也称之为CodeCache

JVM架构模型

Java编译器主要是基于栈的指令集架构,个人觉得主要原因是可移植性决定的,JVM需要跨平台。指令集架构主要有两种:

  • 基于栈的指令集架构:一个方法相当于一个入栈的操作,执行完相当于出栈操作。
  • 基于寄存器的指令集架构

基于栈的指令集架构的特点

主要特点:

  • 设计实现简单,适用于资源受限的系统,比如机顶盒,小玩具上。
  • 避开寄存器分配难题:使用零地址指令方式分配。
  • 指令流中大部分都是零地址指令,执行过程依赖操作栈,指令集更小(零地址),编译器容易实现。
  • 不需要硬件支持,可移植性强,容易实现跨平台。

基于寄存器架构的特点

  • 典型应用是x86的二进制指令集
  • 依赖于硬件,可移植性差
  • 性能好,执行效率高
  • 更少指令执行一项操作
  • 大部分情况下,寄存器的架构,一,二,三地址指令为主,而基于栈的指令集却是以零地址指令为主。

说明:什么叫零地址指令,一地址指令,二地址指令?
零地址指令只有操作码,没有操作数。这种指令有两种情况:一是无需操作数,另一种是操作数为默认的(隐含的),默认为操作数在寄存器中,指令可直接访问寄存器。

  • 三地址指令:一般地址域中A1、A2分别确定第一、第二操作数地址,A3确定结果地址。下一条指令的地址通常由程序计数器按顺序给出。

  • 二地址指令:地址域中A1确定第一操作数地址,A2同时确定第二操作数地址和结果地址。

  • 单地址指令:地址域中A 确定第一操作数地址。固定使用某个寄存器存放第二操作数和操作结果。因而在指令中隐含了它们的地址。

  • 零地址指令:在堆栈型计算机中,操作数一般存放在下推堆栈顶的两个单元中,结果又放入栈顶,地址均被隐含,因而大多数指令只有操作码而没有地址域。

栈数据结构,一般只有入栈和出栈,所以操作的地方只有栈顶元素,所以位置是确定的,不需要地址。

例子
执行2+3的操作,如果是基于栈的计算流程:

iconst_2 // 常量2入栈
istore_1 
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd  // 常量2,3出栈,执行相加
istore_0  // 结果5入栈

基于寄存器的计算流程:

mov eax,2   //将eax寄存器的值设置为2
add eax,3   // 将eax寄存器的值加3

从上面的例子可以看出来,基于栈的寄存器的指令更小,但是基于寄存器的指令更少。

我们可以通过一个简单程序看一下:

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

编译后,切换到class目录下,使用命令反编译:

java -v StackStructTest.class

看到字节码的模块,可以看到前面有iconst_5,其实5就是2+3的结果,也就是编译期间就会直接把2+3变成5,不会在运行的时候才去计算,这个是因为23都是常量。

这个现象称之为编译期的常量折叠

但是如果我们把代码成下面这种情况呢?

        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;

反编译出来的指令:

const意思是constant(常量),storestoreage寄存器。

 stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2  // 2是个常量
         1: istore_1  // 2加载到1号操作数栈
         2: iconst_3  // 3是一个产量
         3: istore_2  // 3加载到2号操作数栈
         4: iload_1   // 将1号操作数栈取出,加载进来
         5: iload_2   // 将2号操作数栈取出,加载进来
         6: iadd      // 两者相加
         7: istore_3  // 结果存储到索引为3号操作数栈中
         8: return

也就是栈架构的JVM,需要 8 条指令才能完成上面的变量相加计算。

栈架构总结

由于跨平台特性,Java指令基于栈来设计,因为不同的CPU架构不同,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指令。

【作者简介】
秦怀,公众号【秦怀杂货店】作者,技术之路不在一时,山高水长,纵使缓慢,驰而不息。个人写作方向:Java源码解析,JDBC,Mybatis,Spring,redis,分布式,剑指Offer,LeetCode等,认真写好每一篇文章,不喜欢标题党,不喜欢花里胡哨,大多写系列文章,不能保证我写的都完全正确,但是我保证所写的均经过实践或者查找资料。遗漏或者错误之处,还望指正。

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纵然缓慢,驰而不息。