教妹學(xué)Java第7講：每個(gè)程序員都應(yīng)該了解的Java 虛擬機(jī)

hello，小伙伴們，大家好，我是沉默王二，一枚沉默但有趣的程序員。又到了《教妹學(xué) Java》的時(shí)間，很開心，很期待，很舒適，有沒有？這是《教妹學(xué) Java》專欄的第 7 篇文章，我們來談?wù)劇癑ava 虛擬機(jī)”。

強(qiáng)烈推薦：我在 GitHub 上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)寶藏項(xiàng)目，里面羅列了幾百本 Java 經(jīng)典電子書，包含入門、工具、框架、數(shù)據(jù)庫、并發(fā)編程、底層、性能優(yōu)化、設(shè)計(jì)模式、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、面試、大數(shù)據(jù)、架構(gòu)等等方面，應(yīng)有盡有，需要的小伙伴可以到 GitHub 上自取：

https://github.com/itwanger/JavaBooks

上一篇文章發(fā)表后，就有小伙伴留言說“二哥，你是成功帶妹入坑啊”，我也是被逼的啊。所以專欄名你們也看到了，對(duì)，初衷真的是教我妹學(xué) Java。不過，我相信小伙伴們?cè)陂喿x的過程中也一定能感受到思維的樂趣，還能真的學(xué)習(xí)到知識(shí)。

再次強(qiáng)調(diào)，《教妹學(xué) Java》專欄面向的是零基礎(chǔ)的 Java 學(xué)習(xí)者，我希望這個(gè)專欄能夠帶領(lǐng) Java 初學(xué)者輕松邁進(jìn)編程世界的大門，并且能夠讀寫編寫出規(guī)范、有用的 Java 代碼。同時(shí)，為后續(xù)的深入學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我妹（親妹）今年上大學(xué)了，學(xué)的計(jì)算機(jī)編程，沒成想，她的一名老師竟然是我的讀者，我妹是又驚喜又恐慌，驚喜是她哥我的讀者群體還挺廣泛的嘛，恐慌的是萬一學(xué)不好豈不是很丟他哥的臉？

為了給妹妹全方位的支援，就有了《教妹學(xué) Java》這個(gè)專欄，希望我妹能通過這個(gè)專欄更快地掌握 Java 這門編程語言。同時(shí)，也希望這個(gè)專欄能夠幫助到更多剛?cè)腴T的初學(xué)者，那就爽歪歪了。

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“二哥，之前的文章里提到 JVM，說實(shí)在的， 我還不知道它到底是干嘛的，你能給我普及一下嗎？”三妹咪了一口麥香可可奶茶后對(duì)我說。

“三妹，不要擔(dān)心，這篇文章來帶你認(rèn)識(shí)一下什么是 JVM，這也是 Java 中非常重要的一塊知識(shí)，每個(gè)程序員都應(yīng)該了解的。”說完最后這句話，我臉上忍不住泛起了一陣羞澀的紅暈。

看過《Java 發(fā)展簡史》的小伙伴應(yīng)該知道，Sun 在 1991 年成立了一個(gè)由詹姆斯·高斯林（James Gosling）領(lǐng)導(dǎo)的，名為“Green”的項(xiàng)目組，目的是開發(fā)一種能夠在各種消費(fèi)性電子產(chǎn)品上運(yùn)行的程序架構(gòu)。

一開始，項(xiàng)目組打算使用 C++，但 C++ 無法達(dá)到跨平臺(tái)的要求，比如在 Windows 系統(tǒng)下編譯的 Hello.exe 無法直接拿到 Linux 環(huán)境下執(zhí)行。

在當(dāng)時(shí)，C++ 已經(jīng)非常流行了，但無法跨平臺(tái)，只能忍痛割愛了。

怎么辦呢？

三妹不知道有沒有聽過直譯器（解釋器）這玩意？（估計(jì)你沒聽過）就是每跑一行代碼就生成機(jī)器碼，然后執(zhí)行，比如說 Python 和 Ruby 用的就是直譯器。在每個(gè)操作系統(tǒng)上裝一個(gè)直譯器就好了，跨平臺(tái)的目的就達(dá)到了。

但直譯器有個(gè)缺點(diǎn)，就是沒法像編譯器那樣對(duì)一些熱點(diǎn)代碼進(jìn)行優(yōu)化，從而讓機(jī)器碼跑得更快一些。

怎么辦呢？

來個(gè)結(jié)合體唄，編譯器和直譯器一塊上！

編譯器負(fù)責(zé)把 Java 源代碼編譯成字節(jié)碼（不清楚的小伙伴可以點(diǎn)擊鏈接查看上一節(jié)），Java 虛擬機(jī)（Java Virtual Machine，簡稱 JVM） 負(fù)責(zé)把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼。轉(zhuǎn)換的時(shí)候，可以做一些壓縮或者優(yōu)化，這樣的機(jī)器碼跑起來就快多了。

不僅跨平臺(tái)的目的達(dá)到了，而且性能得到了優(yōu)化。

三妹是不是想問，“為什么 Java 虛擬機(jī)會(huì)叫 Java 虛擬機(jī)呢？”

虛擬機(jī)，顧名思義，就是虛擬的機(jī)器（多蒼白的解釋），反正就是看不見摸不著的機(jī)器，把它想象成一個(gè)會(huì)執(zhí)行字節(jié)碼的怪獸吧。

記得上大學(xué)那會(huì)，由于沒有 Linux 環(huán)境，但又需要在上面玩一些命令，于是就在 Windows 上裝 Linux 的虛擬機(jī)，這個(gè) JVM 就類似這種東西。

說白了，就是我們編寫 Java 代碼，編譯 Java 代碼，目的不是讓它在 Linux、Windows 或者 MacOS 上跑，而是在 JVM 上跑。

說到這，三妹是不是想問，“都有哪些 Java 虛擬機(jī)呢？”來看下面這張思維導(dǎo)圖：

除了我們經(jīng)常看到，經(jīng)常聽到的 Hotspot VM，還有很多，下面我來簡單介紹一下。

• Sun Classic：世界上第一款商用 Java 虛擬機(jī)，但執(zhí)行效率低下，導(dǎo)致 Java 程序的性能和 C/C++ 存在很大差距，因此給后來者留下了“Java 語言很慢”的刻板印象。

• Exact VM：為了提升 Classic 的效率，Sun 的虛擬機(jī)團(tuán)隊(duì)曾在 Solaris（Sun 研發(fā)的一款類似 Unix 的操作系統(tǒng)）上發(fā)布過這款虛擬機(jī)，它的執(zhí)行系統(tǒng)里包含有熱點(diǎn)探測(cè)、即時(shí)編譯等，但不是很成熟。

Sun Classic 在 JDK 1.4 的時(shí)候被徹底拋棄，而 Exact VM 被拋棄得更早，取代它的正是 HotSpot VM——時(shí)也命也。

• HotSpot VM：OracleJDK（商用）和 OpenJDK（開源）的默認(rèn)虛擬機(jī)，也是目前使用最廣泛的 Java 虛擬機(jī)。

HotSpot 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就在于熱點(diǎn)代碼探測(cè)技術(shù)（名字就從這來）和準(zhǔn)確式內(nèi)存管理技術(shù)，但其實(shí)這兩個(gè)技術(shù)在 Exact VM 中都有體現(xiàn)，因此你看起個(gè)好的名字多重要（開玩笑了，這就是命）。

熱點(diǎn)代碼探測(cè)，指的是，通過執(zhí)行計(jì)數(shù)器找出最具有編譯價(jià)值的代碼，然后通知即時(shí)編譯器以方法為單位進(jìn)行編譯，解釋器就可以不再逐行的將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼，而是將一整個(gè)方法的所有字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼再執(zhí)行。

這樣的話，效率就提高了很多，對(duì)吧？

• Mobile VM：Java 在移動(dòng)手機(jī)端（被 Android 和 IOS 二分天下）的發(fā)展并沒有那么成功，因此 Mobile VM 的聲望值比較低。

• Embedded VM：嵌入式設(shè)備上的虛擬機(jī)。

• BEA JRockit：曾經(jīng)號(hào)稱是“世界上最快的 Java 虛擬機(jī)”，后來被 Oracle 收購后就沒有聲音了。

• IBM J9 VM：提起 IBM，基本上所有程序員都知道了，也是個(gè)巨頭，所以他家的虛擬機(jī)也很強(qiáng)，在職責(zé)分離和模塊化上做得比 HotSpot 更好。目前已經(jīng)開源給 Eclipse 基金會(huì)。

• BEA Liquid VM：是 BEA 公司開發(fā)的可以直接運(yùn)行在自家系統(tǒng)上的虛擬機(jī)，可以越過操作系統(tǒng)直接和硬件打交道，因此可以更大程度上的發(fā)揮硬件的能力。不過核心用的還是 JRockit，所以伴隨著 JRockit 的消失，Liquid VM 也退出歷史舞臺(tái)了。

• Azul VM：是 Azul 公司在 HotSpot 基礎(chǔ)上進(jìn)行大量改進(jìn)后的，可以運(yùn)行在 Azul 公司專有硬件上的虛擬機(jī)。2010 年起，Azul 公司的重心從硬件轉(zhuǎn)移到軟件上，并發(fā)布了 Zing 虛擬機(jī)，性能方面很強(qiáng)大。

• Apache Harmony 和 Google Android Dalvik VM 并不是 嚴(yán)格意義上的 Java 虛擬機(jī)，但對(duì) Java 虛擬機(jī)的發(fā)展起到了很大的刺激作用。但它們終究沒有熬過時(shí)間。

• Microsoft JVM：在早期的 Java Applets 年代，微軟為了在 IE 中支持 Applets 開發(fā)了自己的 Java 虛擬機(jī)。你敢相信？Microsoft JVM 只有 Windows 版本，它與 JVM 實(shí)現(xiàn)的“一次編譯，到處運(yùn)行”的理念完全沾不上邊。

關(guān)鍵是，1997 年 10 月，Sun 公司因?yàn)檫@事把微軟告了，最后微軟賠給了 Sun 公司 2000 萬美金，并且終止了在 Java 虛擬機(jī)方面的發(fā)展。如果，我是說如果，如果微軟保持著對(duì) Java 的熱情，后面還有 .Net 什么事？

解釋了這么多 Java 虛擬機(jī)后，三妹是不是想問，“Java 虛擬機(jī)長什么樣子呢？”

Java 虛擬機(jī)雖然是虛擬的，但它的內(nèi)部是可以劃分為：

• 類加載器（Class Loader）
• 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Areas）
• 執(zhí)行引擎（Excution Engine）

1）類加載器

類加載器是 Java 虛擬機(jī)的一個(gè)子系統(tǒng)，用于加載類文件。每當(dāng)我們運(yùn)行一個(gè) Java 程序，它都會(huì)由類加載器首先加載。

一般來說，Java 程序員并不需要直接同類加載器進(jìn)行交互。JVM 默認(rèn)的行為就已經(jīng)足夠滿足大多數(shù)情況的需求了。不過，如果遇到了需要和類加載器進(jìn)行交互的情況，而對(duì)類加載器的機(jī)制又不是很了解的話，就不得不花大量的時(shí)間去調(diào)試ClassNotFoundException 和 NoClassDefFoundError 等異常。

對(duì)于任意一個(gè)類，都需要由它的類加載器和這個(gè)類本身一同確定其在 JVM 中的唯一性。也就是說，如果兩個(gè)類的加載器不同，即使兩個(gè)類來源于同一個(gè)字節(jié)碼文件，那這兩個(gè)類就必定不相等（比如兩個(gè)類的 Class 對(duì)象不 equals）。

來通過一段簡單的代碼了解下。

/**
?*?@author?微信搜「沉默王二」，回復(fù)關(guān)鍵字?PDF
?*/
public?class?Test?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????ClassLoader?loader?=?Test.class.getClassLoader();
????????while?(loader?!=?null)?{
????????????System.out.println(loader);
????????????loader?=?loader.getParent();
????????}
????}
}

每個(gè) Java 類都維護(hù)著一個(gè)指向定義它的類加載器的引用，通過 類名.class.getClassLoader() 可以獲取到此引用；然后通過 loader.getParent() 可以獲取類加載器的上層類加載器。

上面這段代碼的輸出結(jié)果如下：

jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@512ddf17
jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@2d209079

第一行輸出為 Test 的類加載器，即應(yīng)用類加載器，它是 jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader 類的實(shí)例；第二行輸出為平臺(tái)類加載器，是 jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader 類的實(shí)例。那啟動(dòng)類加載器呢？

按理說，擴(kuò)展類加載器的上層類加載器是啟動(dòng)類加載器，但啟動(dòng)類加載器是虛擬機(jī)的內(nèi)置類加載器，通常表示為 null。

2）運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

來看下面這張圖：

• PC寄存器（PC Register），也叫程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register），是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的信號(hào)指示器。

• JVM 棧（Java Virtual Machine Stack），與 PC 寄存器一樣，JVM 棧也是線程私有的。每一個(gè) JVM 線程都有自己的 JVM 棧，這個(gè)棧與線程同時(shí)創(chuàng)建，它的生命周期與線程相同。

• 本地方法棧（Native Method Stack），JVM 可能會(huì)使用到傳統(tǒng)的棧來支持 Native 方法（使用 Java 語言以外的其它語言［C語言］編寫的方法）的執(zhí)行，這個(gè)棧就是本地方法棧。

• 堆（Heap），在 JVM 中，堆是可供各條線程共享的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域，也是供所有類實(shí)例和數(shù)據(jù)對(duì)象分配內(nèi)存的區(qū)域。

• 方法區(qū)（Method area），在 JVM 中，被加載類型的信息都保存在方法區(qū)中。包括類型信息（Type Information）和方法列表（Method Tables）。方法區(qū)是所有線程共享的，所以訪問方法區(qū)信息的方法必須是線程安全的。

• 運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool），運(yùn)行時(shí)常量池是每一個(gè)類或接口的常量池在運(yùn)行時(shí)的表現(xiàn)形式，它包括了編譯器可知的數(shù)值字面量，以及運(yùn)行期解析后才能獲得的方法或字段的引用。簡而言之，當(dāng)一個(gè)方法或者變量被引用時(shí)，JVM 通過運(yùn)行時(shí)常量區(qū)來查找方法或者變量在內(nèi)存里的實(shí)際地址。

3）執(zhí)行引擎

執(zhí)行引擎包含了：

• 解釋器：讀取字節(jié)碼流，然后執(zhí)行指令。因?yàn)樗且恍幸恍械亟忉尯蛨?zhí)行指令，所以它可以很快地解釋字節(jié)碼，但是執(zhí)行起來會(huì)比較慢（畢竟要一行執(zhí)行完再執(zhí)行下一行）。

• 即時(shí)（Just-In-Time，JIT）編譯器：即時(shí)編譯器用來彌補(bǔ)解釋器的缺點(diǎn)，提高性能。執(zhí)行引擎首先按照解釋執(zhí)行的方式來執(zhí)行，然后在合適的時(shí)候，即時(shí)編譯器把整段字節(jié)碼編譯成本地代碼。然后，執(zhí)行引擎就沒有必要再去解釋執(zhí)行方法了，它可以直接通過本地代碼去執(zhí)行。執(zhí)行本地代碼比一條一條進(jìn)行解釋執(zhí)行的速度快很多。編譯后的代碼可以執(zhí)行的很快，因?yàn)楸镜卮a是保存在緩存里的。

“三妹，關(guān)于 Java 虛擬機(jī)，今天我們就學(xué)到這吧，后面再展開講，怎么樣？”轉(zhuǎn)動(dòng)了一下僵硬的脖子后，我對(duì)三妹說，“Java 虛擬機(jī)是一塊很大很深的內(nèi)容，如果一上來學(xué)太多的話，我怕難倒你。”

“好的，二哥，我也覺得今天的知識(shí)量夠了，我要好好消化幾天。我會(huì)加油的！”三妹似乎對(duì)未來充滿了希望，這正是我想看到的。

這是《教妹學(xué) Java》專欄的第 7 篇文章，能看到這里的小伙伴都是最帥的，最美的，升職加薪就是你了?。

寫這個(gè)專欄的初衷就是為了幫助那些零基礎(chǔ)學(xué) Java，或者自學(xué) Java 感覺特別痛苦，特別難入門的小伙伴。

另外，我還創(chuàng)建了一些「技術(shù)交流群」，群里氛圍很不錯(cuò)，有不少小伙伴會(huì)分享一些校招或者社招經(jīng)驗(yàn)，更重要的是，群里時(shí)不時(shí)會(huì)有「紅包」等福利，當(dāng)然，群里不允許任何形式的廣告。掃描下方的二維碼，回復(fù)「加群」即可。

示例代碼已經(jīng)同步到 GitHub，地址為 github.com/itwanger，也可以點(diǎn)擊閱讀原文進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，歡迎 star。