jvm学习笔记之jvm的生命周期和发展历程

jvm生命周期

虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader)创建一个初始类(initial class)来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的

虚拟机的执行

• 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
• 程序开始执行时他才执行，程序结束时他就停止
• 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程

虚拟机的退出

有如下的几种情况：

• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
• 某线程调用Runtime类或System类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作
• 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况

JVM的发展历程

Sun Classic VM

• 早在1996年Java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为Sun Classic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时完全被淘汰。
• 这款虚拟机内部只提供解释器
• 如果使用JIT编译器，就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和编译器不能配合工作
• 现在hotspot内置了此虚拟机

Exact VM

• 为了解决一个虚拟机问题，jdk1.2时，sun提供了此虚拟机
• Exact Memory Management：准确式内存管理
  • 也可以叫Non-Conservative/Accurate Memory Management
  • 虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型（比如地址还是数字）
• 具备现代高性能虚拟机的雏形
  • 热点探测
  • 编译器与解释器混合工作模式
• 只在Solaris平台短暂使用，其它平台还是classic vm
  • 英雄气短，终被Hotspot虚拟机替换

SUN公司的Hotspot VM

• Hotspot历史
  • 最初由一家名为"Longview Technologies"的小公司设计
  • 1997年，此公司被Sun收购；2009年，Sun公司被甲骨文收购
  • JDK1.3时，Hotspot VM成为默认虚拟机
• 目前Hotspot占有绝对的市场地位，称霸武林
  • 不管时现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中，默认的虚拟机都是Hotspot
  • Sun/Oracle JDK和OpenJDK的默认虚拟机
  • 因此本课程中默认介绍的虚拟机都是Hotspot，相关机制也主要是指HotSpot的GC机制。（比如其它两个商用虚拟机都没有方法区的概念）
• 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用
• 名称中的Hotspot值得就是它的热点代码探测技术
  • 通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换
  • 通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

BEA的JRockit

• 专注于服务器端应用
  • 它可以不太关注程序启动速度，因此JRockit内部不包含解析器实现，全部代码都靠即时编译器编译后执行
• 大量的行业基准测试显示，JRockit JVM是世界上最快的JVM
  • 使用JRockit产品，客户已经体验到了显著的性能提高（一些超过了70%）和硬件成本的减少（达50%）
• 优势：全面的Java运行时解决方案组合
  • JRockit面向延迟敏感性应用的解决方案JRockit Real Time提供以毫秒或微妙级的JVM响应时间，适合财务、军事指挥、电信网络的需要
  • MissinControl服务套件，它时一组以极低的开销来监控、管理和分析生产环境中的应用程序的工具（内存泄漏、jvm运行分析器、管理控制台）
• 2008年，BEA被Oracle收购
• Oracle整合了两大有序虚拟机，大致在JDK8中完成。整合的方式是在Hotspot的基础上，移植JRockit的优秀特性
• 高斯林：目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人

IBM的J9

• 全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9
• 市场定位与HotSpt接近，服务器端、桌面应用、嵌入式等多用途VM
• 广泛用于IBM的各种Java产品
• 目前，有影响力的三大商用虚拟机之一，也号称时世界上最快的Java虚拟机
• 2017年左右，IBM发布了开源J9 VM，命名为OpenJ9，交给Eclipse基金会管理，也称为Eclipse OpenJ9

KVM和CDC/CLDC Hotspot

• Oracle在Java ME产品线上的两款虚拟机为：CDC/CLDC Hotspot Implementation VM
• KVM(Kilobyte)是CLDC-HI早期产品（诺基亚）
• 目前移动领域地位尴尬，智能手机被Android和iOS二分天下
• KVM简单、轻量、高度可移植，面向更低端的设备上还维持自己的一片市场
  • 智能控制器、传感器
  • 老人手机、经济欠发达地区的功能手机
• 所有虚拟机的原则：一次编译、到处运行

Azul VM

• 前面三大“高性能Java虚拟机”使用在通用硬件平台上
• 这里Azul VM和BEA Liquid VM是与特定硬件平台绑定、软硬件配合的专有虚拟机
  • 高性能Java虚拟机中的战斗机
• Azul VM是Azul Systems公司在Hotspot基础上进行大量改进，运行于A租赁Systems公司的专有硬件Vega系统上的Java虚拟机
• 每个Azul VM实例都可以管理至少数十个CPU和数百GB内存的硬件资源，并提供在巨大内存范围内实现可控的GC时间的垃圾回收器、专有硬件优化的线程调度等优秀特性
• 2010年，Azul Systems公司开始从硬件转向软件，发布了自己的Zing JVM，可以在x86平台上提供接近于Vega系统的特性

Liquid VM

• 高性能Java虚拟机中的战斗机
• BEA公司开发的，直接运行在自家Hypervisor系统上
• Liquid VM即是现在的JRockit VE（Virtual Edition），Liquid VM不需要操作系统的支持，或者说它本身实现了一个专用操作系统的必要功能，如线程调度、文件系统、网络支持等
• 随着JRockit虚拟机终止开发，Liquid VM项目也停止了

Apache Harmony

• Apache也曾经推出过与JDK1.5和JDK1.6兼容的Java运行平台Apache Harmony
• 它是IBM和Intel联合开发的开源JVM，受到同样开源的OpenJDK的压制。Sun坚决不让Harmony获得JCP认证，最终于2011年退役，IBM转而参与OpenJDK
• 虽然目前并没有Apache Harmony被大规模商用的案例，但是它的Java类库代码吸纳进了Android SDK

Microsoft JVM

• 微软为了再IE浏览器中支持Java Applets，开发了Microsoft JVM
• 智能在window平台下运行。但却是当时windows下性能最好的Java VM
• 1997年，Sun以侵犯商标，不正当竞争罪名指控微软成功，赔了sun很多钱。微软在WindowXP SP3中抹掉了其VM。现在windows上安装的jdk都是HotSpot

TaobaoJVM

• 由AliJVM团队发布。阿里，国内使用Java最强大的公司，覆盖云计算、金融、物流、电商等众多领域，需要解决高并发、高可用、分布式的复合问题。有大量的开源产品
• 基于OpenJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK，简称AJDK。是整个阿里Java体系的基石
• 基于OpenJDK HotSpot VM发布的国内的第一个优化，深度定制且开源的高性能服务器版Java虚拟机
  • 创新的GCIH（GC invisible heap）技术实现了off-heap，即将生命周期较长的Java对象从heap中移到heap之外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC回收效率的目的
  • GCIH中的对象还能够在多个Java虚拟机进程中实现共享
  • 使用crc32指令实现JVM intrinsic降低JNI的调用开销
  • PMU hardware的Java profiling tool和诊断协助功能
  • 针对大数据场景的ZenGC
• taobao vm应用在阿里产品上性能搞，硬件严重依赖intel的cpu，损失了兼容性，但提高了性能
  • 目前已经在淘宝、天猫上线，吧Oracle官方JVM版本全部替换了

Dalvik VM

• 谷歌开发的，应用于Android系统，并在Android2.2中提供了JIT，发展迅猛
• Dalvik VM智能称作虚拟机，而不能称作“java虚拟机”，它没有遵循Java虚拟机规范
• 不能直接执行Java的Class文件
• 基于寄存器架构，不是jvm的栈架构
• 执行的是编译以后的dex(Dalvik Executable)文件，执行雄安了比较高
  • 它执行的dex(Dalvik Executable)文件可以通过Class文件转化而来，使用Java语法编写应用程序，可以直接使用大部分的Java API等
• Android 5.0使用支持提前编译（Ahead of Time Compilation,AOT）的ART VM替换Dalvik VM

Graal VM

• 2018年4月，Oracle Labs公开了Graal VM，号称“Run Programs Faster Anywhere”，勃勃野心。与1995年java的“write once,run anywhere”遥相呼应
• Graal VM在HotSpot VM基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机，可以作为“任何语言”的运行平台使用。语言包括：Java、Scala、Groovy、Kotlin；C、C++、JavaScript、Ruby、R等
• 支持不同语言中混用对方的接口和对象，支持这些语言使用已经编写好的本地库文件
• 工作原理是将这些语言的源代码或源代码编译后的中间格式，通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示。Graal VM提供Truffle工具集快速构建面向以中国新语言的解释器。在运行时还能进行即时编译优化，获得比原生编译器一起更优秀的执行效率
• 如果说HotSpot有一天真的被取代，Graal VM希望最大。但是Java的软件生态没有丝毫变化