JVM 基础知识（基础组成 ）
使用场景
- 线上系统突然宕机,系统无法访问,甚至直接 O0M;
- 线上系统响应速度太慢,优化系统性能过程中发现 CPU 占用过高,原因也许是因为 JVM的 GC 次数过于频繁;
- 新项目上线,需要设置 JVM的各种参数;等
JDK / JRE / JVM
JDK
JDK 全称 ( Java Development Kit ) ，是 Java 开发工具包,提供 javac 编译器、jheap、jconsole 等监控工具;
JRE
JRE 全称 （ Java Runtime Environment )，是 Java 运行环境，提供 Class Library 核心类库 + JVM ；
JVM
JVM 全称 （ Java Virtual Machine ）,Java 虚拟机，用于运行 Java 应用程序。
Java 程序执行过程
编译：
通过 javac 命令。调用 JDK 编译器，将 *.java 源文件 编译为 *.class 字节码文件。
执行：
调用 java 命令， 调用 JVM 虚拟机，执行 *.class 字节码文件。
Java 程序跨平台
计算机平台
计算机平台：CPU 处理器与操作系统构成的系统架构。
现代的电子计算机是基于二进制设计实现，所以 CPU 仅能识别 θ 与 1 这样的二进制信号。而计算机程序的本质就是 0 与 1 之间的不同组合产生的机器指令，交给CPU去执行。CPU为了能识别执行机器指令，就需要不同 CPU架构和指令集来支持。不同的厂商，设计生产的 CPU， CPU 架构和指令集也是不同的
常见的指令集主要分为：精简指令集( RISC)和复杂指令集( CIS()。
- 复杂指令集(CISC)：X86 和X64 两种 CPU 架构基于CISC复杂指令集，比如：Intel、AMD 等厂商的 CPU。
- 精简指令集(RISC)：ARM 架构的CPU基于 RISC 精简指令集，比如：Compaq 的 Alpha 、HP 的 PA-RISC、IBM 的 Power PC、Apple的M1。
在底层硬件及指令集之上，需要搭载不同的操作系统，用于支持不同的 CP U 指令集。例如：早期的MacOS 操作系统只支持 Power 系列的 CPU。最新的Macos 系统只能安装在M1 芯片的 CPU。
Java 是一种跨平台的编程语言，主要是为了让相同的 Java 应用程序代码，不用做任何修改，可以在不同计算机系统平台上正常运行，兼容各种主流操作系统+ CPU 指令集。
跨平台原因
- 不同的平台，相同的源代码，编译的字节码是相同的，所以字节码文件可以在不同的平台"通用"；
- 不同的平台，执行字节码时，都需要各自的 JVM 虚拟机版本，用于将字节码文件翻译成当前平台可以执行的机械码指令；
静态编译器
通过 JDK 提供的静态编译器,将 Java 源文件编译成字节码文件。
编译过程包括:
- 词法分析:通过空格分隔出源代码中的单词、操作符、控制符等信息,将其形成 token 信息流,传递给语法解析器。
- 语法分析:将 token 信息流按照 Java 语法规则,组装成一颗语法树
- 语义分析:对语法树进行关键字使用、类型匹配、作用域等语法检查。
- 字节码:当语义分析完成后,可以生成字节码。
字节码
当1个 Java 源文件被编译后,就会按照 JVM 规范和字节码定义,产生1个class 字节码文件,文件内容由 10 个固定部分组成。
前 4 个字节非常特殊,红色框的 cafe babe 是詹姆斯定义的魔法数,它的作用是标志当前文件是一个字节码文件。当 JVM在进行类加载的Load 阶段时,如果没有识别到该标志,就说明文件不是字节码文件或已损坏,则无法进行加载。绿色框代表当前版本号,0x34 的十进制为 52,是JDK8的内部版本号,代表这个字节码文件基于 JDK8 编译。
剩余部分中的每个字节均代表一个字节码指令,由于每个指令的长度按照 1 个字节存
储,所以每个指令被称为字节码(Bytecode),Java 所有的字节码指令有 200 多个。
由于纯数字的字节码指令阅读比较困难,所以 JVM 在字节码指令的基础上设计了一套操作码助记符,使用特殊单词来代替对应的数字指令。
例如:
0x15 ILOAD : 读取 int 类型的局部变量
0x36 ISTORE : 保存int类型的局部变量
0x60 IADD : 执行两个 int 类型的数值加法运算
0xbb NEW : 创建对象
Oxbc NEWARRAY : 创建数组
Oxac IRETURN : 返回 int 类型结果
JVM 执行方式
JVM 以解释+编译混合模式,执行字节码文件。
1. JVM 的执行方式以解释执行为主。执行过程中,JVM将每个字节码文件中的每个指令,通过解释器转换成当前平台可以识别的机器码,然后交给 CPU执行。
2. 为了提高执行效率,JVM还会在运行期间,JVM通过热点代码的统计分析,识别高频的方法调用,循环体、公共模块等,当超过阈值时,JVM会基于 JIT 即时编译器 (just-in-time compiler)将热点代码转换成机器码,直接交给 CPU执行,提高执行效率。
Client 模式下默认阈值是 1500 次,在 Server 模式下是 10000 次。
JVM 解释器:程序执行的时候,解释器首先发挥作用,省去了编译器编译时间,加快
程序的执行效率。
JIT 编译器:在程序运行过程中,随着时间的推移,JIT 开始慢慢发挥了作用,把热点代码编译成本地代码后,以后执行相同的代码,即可直接交给 CPU 执行,带来更高的执行效率。
机器在热机状态可以承受的负载要大于冷机状态(刚启动时),如果以热机状态时的流量进行切换,可能使处于冷机状态的服务器因无法承载流量而假死。所以,在生产环境中发布应用,应该以分批的方进行发布,根据机器数量划分成多个批次,每个批次的机器数大概占到整个集群的 15%。
故障案例:某应用在线发布新版本,采用进行分批发布,发布总批数误填写成分为两批发布。如果是热机状态,正常情况下,集群中的一半的机器可以勉强支撑负载流量,但由于刚启动的 JVM 均是解释执行,还没有进行热点代码统计和J动态编译,导致机器启动之后,当前 1/2 发布成功的服务器马上全部宕机。
类加载器
字节码必须通过类加载器,通过加载、验证、解析等校验步骤,将字节码文件中的类,加载至 JVM 的中运行时数据区,才可以执行字节码
垃圾收集器
JVM 在运行期间,通过 Garbage Collctor 垃圾收集器,定期对运行时数据区进行垃圾对象的回收,从而实现了内存自动管理。
JVM 组成结构
JVM 由类加载器、运行时数据区、JVM解释器、JIT 即时编译器、垃圾回收器、本地方法库等部分组成。
由类加载器完成字节码文件的加载验证和解析,存储至运行时数据区,并由执行引擎中的解释器,完成字节码到机器码的解释执行。同时进行热点代码的统计分析,调用 JIT 即时编译器将字节码接编译成机器码,提高执行效率。JVM运行期间的方法调、数据对象统一存放至运行时数据区。
