关于java:JVM笔记-JVM的发展以及基于栈的指令集架构

• 1. 2011 年，JDK7公布，1.7u4 中，开始启用新的垃圾回收器G1（然而不是默认）。
• 1. 2017 年，公布 JDK9，G1 成为默认 GC，代替CMS。(个别公司应用jdk8 的时候，会通过参数，指定 GC 为G1)
• 1. 2018 年，公布JDK11，带来了革命性ZGC，性能比拟强。

虚拟机介绍

虚拟机，就是虚构的计算机，能够执行一系列虚构计算机指令，大体上能够分为零碎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度。

• 零碎虚拟机：仿真模拟系统的，比方Visual Box，VMware。
• 程序虚拟机：为执行单个计算机程序设计的，比方 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，然而字节码不肯定是由 Java 语言编译而成。然而只有应用这一套虚拟机规定的语言，就能够享受到跨平台，垃圾收集以及牢靠的即时编译器。JVM和硬件之间没有间接的交互。

• 一次编译，到处运行。
• 主动内存治理
• 主动垃圾回收

上面是 ava 平台文档中 Java 概念图的形容，能够看出 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，也阐明了 JRE 不包含编译环境。

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

JDK7 中 java 家族的构造组成 : https://docs.oracle.com/javas…

JDK7 中 java 家族的构造组成 : https://docs.oracle.com/javas…

JVM 构造

下面的图次要包含三局部：类加载器，运行时数据区，执行引擎。

类加载器，次要是将 Class 文件（曾经通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。

运行时区域次要分为：

• 线程公有（每个线程有一份）：

  • 程序计数器:Program Count Register, 线程公有，没有垃圾回收
  • 虚拟机栈:VM Stack，线程公有，没有垃圾回收
  • 本地办法栈:Native Method Stack, 线程公有，没有垃圾回收

• 线程共享：

  • 办法区:Method Area，以 HotSpot 为例，JDK1.8后元空间取代办法区，有垃圾回收。
  • 堆:Heap，垃圾回收最重要的中央。

执行引擎次要包含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。字节码文件不能间接被机器辨认，所以须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，其实蕴含了词法剖析，语法分析，语法树，语义剖析等一系列操作。

在执行引擎中，有 JIT 编译器，也就是第二次编译的过程会产生在这里，会将热点代码编译成为机器指令，是依照办法的维度，缓存起来（放在办法区）, 也称之为CodeCache。

JVM 架构模型

Java 编译器次要是基于栈的指令集架构，集体感觉次要起因是可移植性决定的，JVM 须要跨平台。指令集架构次要有两种：

• 基于栈的指令集架构：一个办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

次要特点：

• 设计实现简略，实用于资源受限的零碎，比方机顶盒，小玩具上。
• 避开寄存器调配难题：应用零地址指令形式调配。
• 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。
• 不须要硬件反对，可移植性强，容易实现跨平台。

基于寄存器架构的特点

• 典型利用是 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
• 大部分状况下，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。

阐明：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。这种指令有两种状况: 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, 指令可间接拜访寄存器。

• 三地址指令：个别地址域中 A1、A2 别离确定第一、第二操作数地址,A3 确定后果地址。下一条指令的地址通常由程序计数器按程序给出。
• 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后果地址。
• 单地址指令：地址域中 A 确定第一操作数地址。固定应用某个寄存器寄存第二操作数和操作后果。因此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，操作数个别寄存在下推堆栈顶的两个单元中, 后果又放入栈顶, 地址均被隐含，因此大多数指令只有操作码而没有地址域。

栈数据结构，个别只有入栈和出栈，所以操作的中央只有栈顶元素，所以地位是确定的，不须要地址。

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  // 后果 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 

从下面的例子能够看进去，基于栈的寄存器的指令更小，然而基于寄存器的指令更少。

咱们能够通过一个简略程序看一下：

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

编译后，切换到 class 目录下，应用命令反编译：

java -v StackStructTest.class

看到字节码的模块，能够看到后面有 iconst_5，其实5 就是 2+3 的后果, 也就是编译期间就会间接把 2+3 变成 5，不会在运行的时候才去计算，这个是因为2 和3都是常量。

这个景象称之为 编译期的常量折叠。

然而如果咱们把代码成上面这种状况呢？

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

反编译进去的指令：

const意思是 constant(常量)，store 是storeage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  // 后果存储到索引为 3 号操作数栈中
         8: return

也就是栈架构的JVM，须要 8 条指令能力实现下面的变量相加计算。

栈架构总结

因为跨平台个性，Java 指令基于栈来设计，因为不同的 CPU 架构不同，长处是跨平台，指令集小，编译器容易实现。毛病是性能降落，实现同样性能须要更多指令。

【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，纵使迟缓，驰而不息。集体写作方向：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，不喜爱题目党，不喜爱花里胡哨，大多写系列文章，不能保障我写的都完全正确，然而我保障所写的均通过实际或者查找材料。脱漏或者谬误之处，还望斧正。

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