JVM筆記 -- JVM的發展以及基於棧的指令集架構

• 1. 2011年，JDK7發布，1.7u4中，開始啟用新的垃圾回收器G1（但是不是默認）。
• 2. 2017年，發布JDK9，G1成為默認GC，代替CMS。(一般公司使用jdk8的時候，會通過參數，指定GC為G1)
• 3. 2018年，發布JDK11，帶來了革命性ZGC，性能比較強。

虛擬機介紹

虛擬機，就是虛擬的計算機，可以執行一系列虛擬計算機指令，大體上可以分為系統虛擬機和程序虛擬機。它們運行時，都會受到虛擬機提供的資源的限制。

• 系統虛擬機：仿真模擬系統的，比如Visual Box，VMware。
• 程序虛擬機：為執行單個計算機程序設計的，比如Java虛擬機。

JAVA虛擬機

Java虛擬機是一台執行字節碼的虛擬機計算機，但是字節碼不一定是由Java語言編譯而成。但是只要使用這一套虛擬機規則的語言，就可以享受到跨平台，垃圾收集以及可靠的即時編譯器。JVM和硬件之間沒有直接的交互。

• 一次編譯，到處運行。
• 自動內存管理
• 自動垃圾回收

下面是ava平台文檔中Java概念圖的描述，可以看出javac命令在JDK中，也就是將.java文件編譯成為.class文件，這個就是前端編譯器，將源文件編譯成為字節碼。這個編譯器不在JRE中，也說明了JRE不包括編譯環境。

JRE和JDK都包括了JVM虛擬機。JRE是運行時環境，而JDK包含了開發環境。

JDK7 中java家族的結構組成 : https://docs.oracle.com/javase/7/docs/

JDK7 中java家族的結構組成 : https://docs.oracle.com/javase/8/docs/

JVM結構

上面的圖主要包括三部分：類加載器，運行時數據區，執行引擎。

類加載器，主要是將Class文件（已經經過前端編譯器編譯后的字節碼文件），加載到運行時數據區，生成Class對象，這個過程會設計加載，鏈接，初始化等過程。

運行時區域主要分為：

• 線程私有（每個線程有一份）：
  • 程序計數器:Program Count Register,線程私有，沒有垃圾回收
  • 虛擬機棧:VM Stack，線程私有，沒有垃圾回收
  • 本地方法棧:Native Method Stack,線程私有，沒有垃圾回收
• 線程共享：
  • 方法區:Method Area，以HotSpot為例，JDK1.8后元空間取代方法區，有垃圾回收。
  • 堆:Heap，垃圾回收最重要的地方。

執行引擎主要包括解釋器和即時編譯器（熱點代碼提前編譯好，這是后端編譯器），垃圾回收器。字節碼文件不能直接被機器識別，所以需要執行引擎來做轉換。

Java代碼執行流程

Java代碼變成字節碼文件的過程中，其實包含了詞法分析，語法分析，語法樹，語義分析等一系列操作。

在執行引擎中，有JIT編譯器，也就是第二次編譯的過程會發生在這里，會將熱點代碼編譯成為機器指令，是按照方法的維度，緩存起來（放在方法區）,也稱之為CodeCache。

JVM架構模型

Java編譯器主要是基於棧的指令集架構，個人覺得主要原因是可移植性決定的，JVM需要跨平台。指令集架構主要有兩種：

• 基於棧的指令集架構：一個方法相當於一個入棧的操作，執行完相當於出棧操作。
• 基於寄存器的指令集架構

基於棧的指令集架構的特點

主要特點：

• 設計實現簡單，適用於資源受限的系統，比如機頂盒，小玩具上。
• 避開寄存器分配難題：使用零地址指令方式分配。
• 指令流中大部分都是零地址指令，執行過程依賴操作棧，指令集更小（零地址），編譯器容易實現。
• 不需要硬件支持，可移植性強，容易實現跨平台。

基於寄存器架構的特點

• 典型應用是x86的二進制指令集
• 依賴於硬件，可移植性差
• 性能好，執行效率高
• 更少指令執行一項操作
• 大部分情況下，寄存器的架構，一，二，三地址指令為主，而基於棧的指令集卻是以零地址指令為主。

說明：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碼,沒有操作數。這種指令有兩種情況:一是無需操作數,另一種是操作數為默認的(隱含的),默認為操作數在寄存器中,指令可直接訪問寄存器。

• 三地址指令：一般地址域中A1、A2分別確定第一、第二操作數地址,A3確定結果地址。下一條指令的地址通常由程序計數器按順序給出。

• 二地址指令：地址域中A1確定第一操作數地址，A2同時確定第二操作數地址和結果地址。

• 單地址指令：地址域中A 確定第一操作數地址。固定使用某個寄存器存放第二操作數和操作結果。因而在指令中隱含了它們的地址。

• 零地址指令：在堆棧型計算機中，操作數一般存放在下推堆棧頂的兩個單元中,結果又放入棧頂,地址均被隱含，因而大多數指令只有操作碼而沒有地址域。

棧數據結構，一般只有入棧和出棧，所以操作的地方只有棧頂元素，所以位置是確定的，不需要地址。

例子
執行2+3的操作，如果是基於棧的計算流程：

iconst_2 // 常量2入棧
istore_1 
iconst_3 // 常量3入棧
istore_2
iload_1
iload_2
iadd  // 常量2,3出棧，執行相加
istore_0  // 結果5入棧

基於寄存器的計算流程：

mov eax,2   //將eax寄存器的值設置為2
add eax,3   // 將eax寄存器的值加3

從上面的例子可以看出來，基於棧的寄存器的指令更小，但是基於寄存器的指令更少。

我們可以通過一個簡單程序看一下：

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

編譯后，切換到class目錄下，使用命令反編譯：

java -v StackStructTest.class

看到字節碼的模塊，可以看到前面有iconst_5，其實5就是2+3的結果,也就是編譯期間就會直接把2+3變成5，不會在運行的時候才去計算，這個是因為2和3都是常量。

這個現象稱之為編譯期的常量折疊。

但是如果我們把代碼成下面這種情況呢？

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

反編譯出來的指令：

const意思是constant(常量)，store是storeage寄存器。

 stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2  // 2是個常量
         1: istore_1  // 2加載到1號操作數棧
         2: iconst_3  // 3是一個產量
         3: istore_2  // 3加載到2號操作數棧
         4: iload_1   // 將1號操作數棧取出，加載進來
         5: iload_2   // 將2號操作數棧取出，加載進來
         6: iadd      // 兩者相加
         7: istore_3  // 結果存儲到索引為3號操作數棧中
         8: return

也就是棧架構的JVM，需要 8 條指令才能完成上面的變量相加計算。

棧架構總結

由於跨平台特性，Java指令基於棧來設計，因為不同的CPU架構不同，優點是跨平台，指令集小，編譯器容易實現。缺點是性能下降，實現同樣功能需要更多指令。

【作者簡介】：
秦懷，公眾號【秦懷雜貨店】作者，技術之路不在一時，山高水長，縱使緩慢，馳而不息。個人寫作方向：Java源碼解析，JDBC，Mybatis，Spring，redis，分布式，劍指Offer，LeetCode等，認真寫好每一篇文章，不喜歡標題黨，不喜歡花里胡哨，大多寫系列文章，不能保證我寫的都完全正確，但是我保證所寫的均經過實踐或者查找資料。遺漏或者錯誤之處，還望指正。

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