虛擬機

1.1 發展歷程

1.1.1 java往事

? Java誕生在一群懶惰、急躁而傲慢的程式天才之中，

? 1990年12月，Sun的工程師Patrick Naughton被當時糟糕的Sun C++工具折磨的快瘋了，他大聲抱怨，并威脅要離開Sun轉投當時在Steve Jobs領導之下的NeXT公司，領導層為了留住他，給他一個機會，啟動了一個叫做Stealth（秘密行動）的專案，

? 隨著James Gosling等人的加入，這個專案更名為Green，其目標是使用C++為嵌入式設備開發一種新的基礎平臺技術，James Gosling本人負責開發一個編輯器，正如人們事后分析的那樣，這位天才的程式員太懶惰，所以沒有把C++學好，開發中碰了一頭包，于是他決定開發一種新的編程語言，他把這種語言命名為C++++--，意思是C++ “加上一些好東西，減去一些壞東西”，顯然這個糟糕的名字不可能長久，于是很快這種頗受同伴喜愛的小語言被命名為Oak，

? 到了1992年9月，Oak語言連同Green OS和一些應用程式一起發布在稱做Start 7的小設備上，有了第一次精彩的亮相，隨后，Sun開了一家名為FirstPerson的公司，整個團隊被轉移到這家公司里研發機頂盒，以投標時代華納公司的一個專案，這幫天才被技術狂熱所鼓舞，開發出了一個高互動性的設備，結果沒想到時代華納公司和有線電視服務商并不愿意用戶擁有那么大的控制權，從而在競標之戰中敗給了SGI，

? Sun無奈地關閉了FirstPerson，召回了整個團隊，java的出路卻沒有因此而斷送，隨著互聯網發展的涌動，java開始離開嵌入式小設備，往互聯網傾斜，1994年，Oak被命名為Java，回到了激情澎湃的IT產業，抓住互聯網的大潮，從此一發不可收拾，

? 剩下的事情，大家都知道了……

1.1.2 版本迭代

• 1991 年，James Gosling 博士發布產品 Oak（ 橡樹），這是 Java 語言的前身，

• 1995 年，Oak 語言改名為 Java，

• 1996 年，JDK（Java開發所使用的工具包）1.0 發布，提供了純解釋執行的 Java 虛擬機實作：Sun Classic VM，

• 1997 年，JDK1.1 發布，代表技術有：JDBC、JavaBeans、內部類、反射，

• 1998 年，JDK1.2 發布，Java 技術體系被拆分為 J2SE、J2EE、J2ME 三大體系，

  • 2000 年，JDK1.3 發布，默認的 Java 虛擬機由 Sun Classic VM 改為 HotSopt，

• 2002 年，JDK1.4 發布，Java 真正走向成熟，代表技術有：正則運算式、NIO等，

• 2004 年，JDK5.0 發布，對語法易用性做了很大改進，新增了泛型、列舉等，代表技術有：并發包等，

• 2006 年，JDK6.0 發布，將 J2EE/J2SE/J2ME 的命名方式改為 Java SE 6、Java EE 6、Java ME 6，

• 2009 年，Sun 公司因為經營不善被 Oracle 公司收購，

• 2011 年，JDK7 發布，

• 2013 年，JDK8（LTS） 發布，函式式編程，lamda運算式，

• 2017年，JDK9

• 2018年，JDK 10，11（LTS）正式發布

• 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，正是微軟在軟體產業地位達到巔峰的時代，但是這個初出茅廬的毛頭小子硬是引起了微軟帝國的關注，所以96年微軟就向sun申請了java認證，
微軟的加持確實推動了人們對java的信心和興趣，
但是好景不長，從1997年發布Visual J++的第一個版本開始，微軟就開始在Java中摻入自己的私有擴展，這毫無疑問引起Sun的高度重視，
1997年10月，Sun向美國加州地方法院起訴微軟公司違反兩公司就微軟使用Java技術所簽定的合同，指控微軟公司在自己的Java產品中做了“不恰當的修改”，違反了合同中承諾向用戶提供Java兼容產品的條款，
這一官司一直打到了2001年1月雙方達成和解，
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平臺與Java分庭抗禮，
當然目前.net用的人少了，這是后話，

1.1.3 兩種jdk

openjdk vs oraclejdk：

1. Oracle JDK將更多地關注穩定性，它重視更多的企業級用戶，而OpenJDK經常發布以支持其他特性，不太穩定，
2. Oracle JDK支持長期發布的更改（LTS），而Open JDK僅支持計劃和完成下一個發行版，
3. Oracle JDK根據二進制代碼許可協議獲得許可，而OpenJDK根據GPL v2許可獲得許可，
4. 2019年1月之后發布的Oracle Java SE 8的公開更新將無法用于商業，但是，OpenJDK是完全開源的，可以自由使用，
5. Oracle JDK的構建程序基于OpenJDK，因此OpenJDK與Oracle JDK之間沒有技術差異，
6. 頂級公司正在使用Oracle JDK，Open JDK不太受歡迎，
7. Oracle JDK具有良好的GC選項和更好的渲染器，而OpenJDK具有更少的GC選項
8. 在回應性和JVM性能方面，Oracle JDK提供了更好的性能，
9. Oracle JDK在運行JDK時不會產生任何問題，而OpenJDK有時會產生一些問題，
10. Oracle JDK將從其10.0.X版本將收費，用戶必須付費或必須依賴OpenJDK才能使用其免費版本，
11. Oracle JDK完全由Oracle公司開發，而Open JDK專案由IBM，Apple，SAP AG，Redhat等頂級公司加入和合作，

1.2 JVM體系

• JDK（Java Development Kit）是 Java語言的軟體開發工具包，也是整個java開發的核心，它包含了JRE和開發工具包

• JRE（Java Runtime Environment），Java運行環境，包含了JVM和Java的核心類別庫（Java API）

• JVM（Java Virtual Machine），Java虛擬機，它是運行在作業系統之上的，它與硬體沒有直接的互動

所謂“一次編碼，隨處運行“正是基于不同系統下的jvm幫你掩蓋了系統之間介面的差異：

總結

jdk是開發人員的工具包，它包含了java的運行環境和虛擬機，而一次撰寫到處運行就是基于jvm

1.3 各種虛擬機

1.3.1 清單

1、Sun Classic VM

? 世界上第一款商用 Java 虛擬機，

1996年隨著Java1.0的發布而發布，JDK1.4時完全被淘汰

2、BEA JRockit

專注于服務端應用，號稱是世界上最快的JVM

? 后來被 Oracle收購；Oracle JRockit （原來的 Bea JRockit）

3、IBM公司的 J9VM

全稱：IBM Technology for Java Virtual Machine，簡稱IT4J，內部代號：J9

是 IBM 自己開發的一款 JVM

市場定位于HotSpot接近，服務器端、桌面應用、嵌入式等多用途VM

4、HotSpot VM（現在最常用）

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

5、其他

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

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

• Client VM是專門為快速啟動和小記憶體(small footprints)而優化的，像GUI就很適合

• Server VM是專門為高性能應用而優化的，如服務器應用

• 版本是基于tag為1.8.0_181

1.4 jvm整體架構

1.4.1 java運行程序

1.原始碼編譯：通過Java原始碼編譯器將Java代碼編譯成JVM位元組碼（.class檔案）

2.類加載：通過ClassLoader及其子類來完成JVM的類加載

3.類執行：位元組碼被裝入記憶體，進入JVM虛擬機，被解釋器解釋執行

1.4.2 jvm模型

由上面的圖可以看出，JVM虛擬機中主要是由三部分構成，分別是類加載子系統、運行時資料區、執行引擎，

類加載子系統

Java虛擬機把描述類的資料從Class檔案加載到記憶體，并對資料進行校驗、轉換決議和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的Java型別，

運行時資料區

Java虛擬機在執行Java程式的程序中會把它所管理的記憶體劃分為若干個不同的資料區域，

這些區域有各自的用途，以及創建和銷毀的時間，有的區域隨著虛擬機行程的啟動而一直存在，有些區域則是依賴用戶執行緒的啟動和結束而建立和銷毀，

執行引擎

執行引擎用于執行JVM位元組碼指令，主要有兩種方式，分別是解釋執行和編譯執行，區別在于，解釋執行是在執行時翻譯成虛擬機指令執行，而編譯執行是在執行之前先進行編譯再執行，

解釋執行啟動快，執行效率低，編譯執行，啟動慢，執行效率高，

垃圾回收器就是自動管理運行資料區的記憶體，將無用的記憶體占用進行清除，釋放記憶體資源，

本地方法庫、本地庫介面

在jdk的底層中，有一些實作是需要呼叫本地方法完成的（使用c或c++寫的方法），就是通過本地庫介面呼叫完成的，比如：System.currentTimeMillis()方法，

2、類檔案結構

了解jvm后續的一切動作，先從位元組碼開始，它是一切發生的源頭，

2.1 測驗案例

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 位元組碼結構

2.2.1 二進制概覽

1）vscode打開

2）class檔案是一個二進制檔案，轉化后是16進制展示，實際上class檔案就是一張表，它由以下資料項構成，這些資料項從頭到尾嚴格按照以下順序排列：

3）圖示如下：

2.2.2 魔數與版本

1）魔數：

CAFEBABE，咖啡寶寶，固定的，

2）版本號：

34，換成10進制就是52

jdk的版本標記映射關系：

說明編譯用的是jdk8，我們改成1.6，重新執行 mvn clean compile ，再來查看class檔案試試：

    <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>

擴展

在開發中，經常會遇到類似Unsupported major.minor version 51.0的錯誤，一般情況下都是JDK版本不匹配造成的，
雖然jdk代碼在執行時基本上向下兼容，但是！開發環境和服務器環境jdk最好一致，不要嘗試這個坑，

區分和理解兩個環境：編譯環境，運行環境

2.2.3 常量池

再往下遵從相同的規律： 計數器（標注后面有多少個） + 對應個數的結構體

我們以常量池為例：

1）位置

2）結構說明

常量池記錄了jvm內的一堆常量資訊，這部分由 【2個位元組計數】 + 【n個cp_info結構】組成

其中cp_info有多種型別：

• 直接型別，存的就是當前值，這種像Integer，Long等長度都是確定的
• 參考型別，存的是指向其他位置的指標

附：綠色代表指標，橙色代表直接型別

3）案例

下面以String為例，String是一種參考類，它會指向一個utf8型別來存盤真實的資訊

jdk提供了一個工具，javap，可以查看常量串列的詳細內容：

javap -v ClassStruct.class

2.2.4 其他資訊

1）說明

常量池之后，是緊挨的一系列資訊，這些資訊大同小異，無非就是值、或者參考

（參考上面2.3.3里的表格和圖例）

• 訪問標記：public abstract 等資訊
• 類索引，class型別，最終指向一個utf8，標記當前類的名字
• 父類，同上
• 介面，2位元組記錄數量，后面記錄多個介面型別
• 接下來是欄位、方法、屬性，都是2位元組記錄后面多少個，后面緊跟對應的結構體型別

2）注意事項

要看懂javap后的格式，明白這些格式，可以輕松看懂class結構

組合型別

3）實體分析

本文由傳智教育博學谷教研團隊發布，

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