JVM工作原理与实战(一)：初识JVM

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前言

一、JVM概念

二、JVM的三大核心功能

1.内存管理

2.解释执行虚拟机指令

3.即时编译

三、常见的JVM虚拟机

1.HotSpot

2.GraalVM

3.Dragonwell JDK 龙井

4.Eclipse OpenJ9

总结

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前言

JVM作为Java程序的运行环境，其负责解释和执行字节码，管理内存，确保安全，支持多线程和提供性能监控工具，以及确保程序的跨平台运行。同时，JVM还具备动态优化功能，可以根据实际运行情况进行调整和优化。本文主要介绍了JVM的概念、JVM的三大核心功能、常见的JVM虚拟机等内容。

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一、JVM概念

JVM，全称Java Virtual Machine（Java虚拟机），是一个运行在计算机上的程序，其核心任务是运行Java字节码文件。Java字节码是一种中间代码，它是由Java源代码编译而来，但并非直接运行在硬件或操作系统上，而是通过JVM来解释或编译执行。这一设计使得Java能够在任何支持JVM的平台上运行，真正实现了“一次编写，到处运行”的理念。

二、JVM的三大核心功能

1.内存管理

JVM的内存管理是整个虚拟机中非常重要的部分。其负责管理堆内存，这是JVM中用于动态分配内存的区域。当Java程序创建对象时，JVM会在堆上为该对象分配内存。这种分配是动态的，意味着可以根据需要调整内存的大小。

堆内存的管理涉及到两个主要方面：对象的创建和对象的销毁。当一个对象被创建时，JVM会在堆上为其分配内存。这个过程涉及到内存的分配和初始化，确保对象能够正确地存储数据。而当对象不再被引用，或者程序结束时，JVM会自动回收这些内存，以释放资源。

内存管理还包括垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制。垃圾回收器自动检测并清除那些不再被引用的对象，释放其占用的内存。这一过程是为了防止内存泄漏，并确保系统的稳定运行。

2.解释执行虚拟机指令

解释执行是JVM执行Java字节码的一种方式。Java源代码在编译时会被转换成字节码，这是一种中间代码，它不直接对应任何特定的硬件架构。然后，JVM通过解释器逐条解释这些字节码并执行相应的操作。

解释执行的优势在于它的跨平台性。由于字节码是中间代码，无论在哪种操作系统或硬件平台上，只要安装了对应的JVM，就可以运行Java程序。这极大地提高了Java的跨平台能力。

然而，解释执行也有其缺点，主要是执行速度相对较慢。为了提高程序的执行效率，一些高级的JVM会使用即时编译（JIT）技术。

3.即时编译

即时编译（Just-In-Time)是一种优化技术，它在程序运行时将热点代码编译成本地机器码。这些热点代码通常是频繁执行的代码片段，将它们编译成本地代码可以显著提高执行速度。

即时编译的优势在于它能够根据运行时的实际情况进行优化。JVM可以监测代码的执行情况，识别出那些频繁执行的热点代码，然后将其编译成本地机器码。这不仅提高了执行速度，而且减少了解释器的工作负担。

即时编译的实现通常包括两个步骤：编译和优化。编译是将字节码转换成机器码的过程，而优化则是在编译的基础上进一步提高代码的执行效率。通过即时编译，JVM能够在运行时动态地调整和优化代码的执行，从而提高程序的性能。

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三、常见的JVM虚拟机

常见的JVM：

名称	公司	支持版本	社区活跃度	特性	适用场景
HotSpot (Oracle JDK版)	Oracle	所有版本	高	使用最广泛，稳定可靠，社区活跃 JIT支持 Oracle JDK默认虚拟机	默认
HotSpot (Open JDK版)	Oracle	所有版本	中	同上 开源，Open JDK默认虚拟机	默认 对JDK有二次开发需求
GraalVM	Oracle	11, 17,19 企业版支持8	高	多语言支持 高性能、JIT、AOT支持	微服务、云原生架构 需要多语言混合编程
Dragonwell JDK 龙井	Alibaba	标准版 8,11,17 扩展版11,17	低	基于OpenJDK的增强 高性能、bug修复、安全性提升 JWarmup、ElasticHeap、Wisp特性支持	电商、物流、金融领域 对性能要求比较高
Eclipse OpenJ9 (原 IBM J9)	IBM	8,11,17,19,20	低	高性能、可扩展 JIT、AOT特性支持	微服务、云原生架构

1.HotSpot

HotSpot是由Oracle（原Sun Microsystems）开发的一款高性能的JVM，被广泛使用。为了提高Java程序的执行效率，HotSpot虚拟机采用了多种优化技术，其中最核心的是即时编译技术。此外，HotSpot虚拟机还支持一种称为“混合编译”的优化技术，它将解释执行和即时编译结合起来，进一步优化程序的性能。

除了即时编译技术外，HotSpot虚拟机还具有其他高性能特性。它优化了垃圾回收器和内存管理器，为Java程序提供了高效、稳定的运行环境。这些特性共同作用，使HotSpot成为高性能、可扩展的JVM，广泛适用于各种应用程序和场景。

2.GraalVM

GraalVM是一个高性能的运行时环境，可以运行多种语言的程序，包括Java、JavaScript、Python等。它旨在提供一种统一的运行时环境，以支持各种不同的编程语言和框架。

GraalVM通过使用即时编译和垃圾回收技术来提高程序的执行效率。它还提供了一种称为“Truffle”的框架，用于实现自定义语言的解释器和编译器。通过Truffle框架，开发者可以使用高级语言编写程序，并利用GraalVM的高性能特性来运行它们。

除了高性能的即时编译和垃圾回收功能外，GraalVM还支持多种语言的互操作性。这意味着开发者可以在同一个应用程序中使用不同的编程语言，并轻松地调用和交互它们的功能。这种互操作性使得GraalVM成为一种灵活、高效的多语言运行时环境。

3.Dragonwell JDK 龙井

Dragonwell JDK是阿里巴巴提供的一款功能增强版的JVM。它基于HotSpot虚拟机进行了一些优化和增强，旨在提高Java程序的性能和稳定性。

Dragonwell JDK通过优化HotSpot虚拟机的内部机制来提高Java程序的执行效率。它涉及对垃圾回收器、即时编译器和其他核心组件的调整和改进。这些优化旨在提高程序的启动速度、运行时的性能以及减少资源消耗。

除了性能优化外，Dragonwell JDK还提供了一些额外的功能和工具，以增强开发者的体验和应用程序的质量。其中包括对特定于中国市场的特性的支持、更好的调试和监控工具以及对最新Java版本的早期支持等。

4.Eclipse OpenJ9

OpenJ9是IBM开发的一款高性能的JVM，它不仅支持Java SE标准，还提供了强大的垃圾回收和诊断工具。作为一款专为企业级应用打造的高性能JVM，OpenJ9致力于为应用程序提供稳定、高效的运行环境。

OpenJ9虚拟机具有优化的垃圾回收机制，可以有效地管理内存并减少内存泄漏的风险。它还提供了一套丰富的诊断工具，帮助开发者和系统管理员监控和调试Java应用程序。这些工具包括性能分析器、内存监视器和线程分析器等，可以帮助开发者分析程序的性能瓶颈和解决潜在问题。

OpenJ9在大型企业级应用和关键任务应用中得到了广泛应用。它被认为是一种可靠、高性能的JVM选择，适用于需要高可用性和可扩展性的应用程序场景。

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总结

JVM是Java程序的运行环境，负责字节码解释、内存管理、安全保障、多线程支持、性能监控和跨平台运行。本文主要介绍了JVM的概念、JVM的三大核心功能、常见的JVM虚拟机等内容，希望对大家有所帮助。