JVM优化-(1) 概述

布满荆棘的人生 2024-04-21 08:21 75阅读 0赞

**为什么要学习JVM优化**

*  面试需要

> 大厂 面试必问的问题，面试不问点jvm、并发、分布式。学习JVM并不仅仅在于面试，而在于更深入地理解 Java 这门语言，以及为未来排查线上问题打下基础。

*  深入地理解 Java 这门语言

> 工作了三年以后的朋友来说，很多时候你要解决一个问题必须深入到字节码层次去分析，你才能得到准确的结论，而字节码就是虚拟机的一部分深入地理解 Java 这门语言实例：1、我们常用的布尔型 Boolean，我们都知道它有两个值，true 和 false。但你们知道其实在运行时，Java 虚拟机是没有布尔型 Boolean 这种类型的。Boolean 型在虚拟机中使用整型的 1 和 0 表示。

*  学习虚拟机是为了今后更好的解决线上排查问题

> 我们知道我们一个Java 应用部署在线上机器上，肯定时不时会出现问题。除去网络、系统本身问题，很多时候 Java 应用出现问题，就是 Java 虚拟机的内存出现了问题。要么是内存溢出了，要么是 GC 频繁导致响应慢等等。那如何解决这些问题呢？

## 第1章 JVM回顾 ##

### 什么是JVM ###

*  什么是JVM

> JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

*  主流虚拟机

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>虚拟机名称</th> 
   <th>介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>HotSpot</td> 
   <td>Oracle/Sun JDK和OpenJDK都使用HotSPot VM的相同核心</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>J9</td> 
   <td>J9是IBM开发的高度模块化的JVM</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>JRockit</td> 
   <td>JRockit 与 HotSpot 同属于 Oracle，目前为止 Oracle 一直在推进 HotSpot与 JRockit 两款各有优势的虚拟机进行融合互补</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Zing</td> 
   <td>由Azul Systems根据HostPot为基础改进的高性能低延迟的JVM</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Dalvik</td> 
   <td>Android上的Dalvik 虽然名字不叫JVM，但骨子里就是不折不扣的JVM</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 2 JVM与操作系统 ###

*  为什么要在程序和操作系统中间添加一个JVM

> Java 是一门抽象程度特别高的语言，提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的，所以就需要 JVM 进行一番转换。

![在这里插入图片描述][0cc0b88b7f6c45bd8f57020dae543520.png]

> 从图中可以看到，有了 JVM 这个抽象层之后，Java 就可以实现跨平台了。JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件，就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上了。而 Java 跨平台的意义在于一次编译，处处运行，能够做到这一点 JVM 功不可没。比如我们在 Maven 仓库下载同一版本的 jar 包就可以到处运行，不需要在每个平台上再编译一次。现在的一些 JVM 的扩展语言，比如 Clojure、JRuby、Groovy 等，编译到最后都是 .class 文件，Java 语言的维护者，只需要控制好 JVM 这个解析器，就可以将这些扩展语言无缝的运行在 JVM 之上了。

*  应用程序、JVM、操作系统之间的关系

![在这里插入图片描述][3c5b2b5b8a68452c9e6fa36df3076d9c.png]

> 我们用一句话概括 JVM 与操作系统之间的关系：JVM 上承开发语言，下接操作系统，它的中间接口就是字节码。

### 3 JVM、JRE、JDK 的关系 ###

![在这里插入图片描述][8ddca59b59a14161bfb3738fcf58a66e.png]

> JVM 是 Java 程序能够运行的核心。但是需要注意，JVM 自己什么也干不了，你需要给它提供生产原料（.class 文件）。仅仅是 JVM，是无法完成一次编译，处处运行的。它需要一个基本的类库，比如怎么操作文件、怎么连接网络等。而 Java 体系很慷慨，会一次性将 JVM 运行所需的类库都传递给它。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了 Java 的运行时环境，也就是我们常说的 JRE（Java Runtime Environment）对于 JDK 来说，就更庞大了一些。除了 JRE，JDK 还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac、java、jar 等。它是 Java 开发的核心，让外行也可以炼剑！我们也可以看下 JDK 的全拼，Java Development Kit。我非常怕 kit（装备）这个单词，它就像一个无底洞，预示着你永无休止的对它进行研究。JVM、JRE、JDK 它们三者之间的关系，可以用一个包含关系表示。  
> ![在这里插入图片描述][66a5cacbfb5348a6ae082aa3519aede6.png]

### 4 Java虚拟机规范和 Java 语言规范的关系 ###

![在这里插入图片描述][5e197c49be8842f9bbba5ecb9bbc29ce.png]

> 左半部分是 Java 虚拟机规范，其实就是为输入和执行字节码提供一个运行环境。右半部分是我们常说的 Java 语法规范，比如 switch、for、泛型、lambda 等相关的程序，最终都会编译成字节码。而连接左右两部分的桥梁依然是Java 的字节码。如果 .class 文件的规格是不变的，这两部分是可以独立进行优化的。但 Java 也会偶尔扩充一下 .class 文件的格式，增加一些字节码指令，以便支持更多的特性。我们可以把 Java 虚拟机可以看作是一台抽象的计算机，它有自己的指令集以及各种运行时内存区域，学过《计算机组成结构》的同学会在课程的后面看到非常多的相似性。

最后，我们简单看一下一个 Java 程序的执行过程，它到底是如何运行起来的。  
![在这里插入图片描述][3b03bb8ebfc4453ba96452c2ff646ad9.png]  
这里的 Java 程序是文本格式的。比如下面这段 HelloWorld.java，它遵循的就是 Java 语言规范。其中，我们调用了System.out 等模块，也就是 JRE 里提供的类库。

public class HelloWorld {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		System.out.println("Hello World");    
    	}
    }

使用 JDK 的工具 javac 进行编译后，会产生 HelloWorld 的字节码。我们一直在说 Java 字节码是沟通 JVM 与 Java 程序的桥梁，下面使用 javap 来稍微看一下字节码到底长什么样子。

0 getstatic #2 <java/lang/System.out> // getstatic 获取静态字段的值
    
    3 ldc #3<HelloWorld> // ldc 常量池中的常量值入栈
    
    5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println> // invokevirtual   运行时方法绑定调用方法
    
    8 return //void 函数返回

Java 虚拟机采用基于栈的架构，其指令由操作码和操作数组成。这些字节码指令，就叫作 opcode。其中，getstatic、ldc、invokevirtual、return 等，就是 opcode，可以看到是比较容易理解的。JVM 就是靠解析这些 opcode 和操作数来完成程序的执行的。当我们使用 Java 命令运行 .class 文件的时候，实际上就相当于启动了一个 JVM 进程。  
然后 JVM 会翻译这些字节码，它有两种执行方式。常见的就是解释执行，将 opcode + 操作数翻译成机器代码；另外一种执行方式就是 JIT，也就是我们常说的即时编译，它会在一定条件下将字节码编译成机器码之后再执行。

[0cc0b88b7f6c45bd8f57020dae543520.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/21/0a966aeb007d41aea656dfb3f7d0403e.png
[3c5b2b5b8a68452c9e6fa36df3076d9c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/21/70c9984bcf284679b042650b9e098a14.png
[8ddca59b59a14161bfb3738fcf58a66e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/21/3b4796b65e1c4bc696d8ecfcfbd497f5.png
[66a5cacbfb5348a6ae082aa3519aede6.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/21/8141eaf899d64c6cad93c6bc7b6c1831.png
[5e197c49be8842f9bbba5ecb9bbc29ce.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/21/0e5b878c91f74186b5fbe38e39a1c9eb.png
[3b03bb8ebfc4453ba96452c2ff646ad9.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/21/648b5d43a49646f1b356bdc3ec38c81d.png