1. 前言

?從學(xué)習(xí)Java的第一天開始诬烹，到如今工作當(dāng)中型檀，想必大家都耳聞目染了各種Java的優(yōu)點(diǎn)冗尤。其中肯定少不了：Java有虛擬機(jī)，java是跨平臺(tái)的胀溺，一次編譯到處運(yùn)行裂七。在相當(dāng)長的一段時(shí)間里對(duì)此觀點(diǎn)都只是一個(gè)很模糊的概念，對(duì)自己寫的代碼也有一種吃不透的感覺仓坞。猶如一只攔路的大老虎背零，望而生畏，止步不前扯躺。一番思量捉兴，一日不解決掉，對(duì)技術(shù)難以有更深層次的理解录语，只好硬著頭皮上。

2. 不能跨平臺(tái)的原因是怎樣造成的禾乘？

2.1 機(jī)器語言和匯編

?計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)0和1 這句話大家都聽說過澎埠。的確，正所謂大道至簡始藕，0和1足以撐起整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)世界蒲稳。在早期編程中氮趋，都是編寫一條條0和1組成的指令來開發(fā)，要自己處理每一塊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分配和輸入輸出江耀∈Ｐ玻可想而知，滿屏的0和1祥国，程序容易出錯(cuò)且可讀性很差昵观。

case1.jpg

?使用 0和1 組成的機(jī)器指令來編程，太過于繁瑣舌稀，單單只是記住0和1組成的指令就令人頭大啊犬。完全可以用一種簡易的方式代替記憶，例如做加法運(yùn)算壁查，而這個(gè)加的操作在機(jī)器碼中可能是一個(gè) 010010 固定的指令觉至，完全可以用 add 這個(gè)單詞來代替記憶，簡化了編程過程睡腿，這就是匯編語言语御。匯編語言的特點(diǎn)是用符號(hào)代替了機(jī)器指令代碼，而且符號(hào)與指令代碼一一對(duì)應(yīng)席怪，基本保留了機(jī)器語言的靈活性沃暗。而再將add指令轉(zhuǎn)為010010機(jī)器碼的程序便是匯編語言編譯器。

2.2 硬件關(guān)系

?組裝過電腦的朋友都知道何恶，組裝一臺(tái)電腦需要購買：CPU孽锥、內(nèi)存條、硬盤细层，主板等以及各種外設(shè)惜辑。對(duì)程序而言，一開始存儲(chǔ)在硬盤當(dāng)中疫赎，即便計(jì)算機(jī)斷電盛撑，下次重啟程序依舊存在。CPU 是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)部件捧搞，它內(nèi)部又包含很多小零件抵卫，如下圖所示：

118274690_1_20171206084852264.jpg

?????圖片摘自C語言中文網(wǎng)
?內(nèi)存對(duì)于 CPU 來僅僅是一個(gè)存放指令和數(shù)據(jù)的地方，并不能在內(nèi)存中完成計(jì)算功能胎撇。例如要計(jì)算 a = b + c介粘，必須將 a、b晚树、c 都讀取到 CPU 內(nèi)部才能進(jìn)行加法運(yùn)算姻采，寄存器是存儲(chǔ) CPU 執(zhí)行所需數(shù)據(jù)的區(qū)域，是 CPU 不可或缺的一部分爵憎，所有程序都只能通過操作寄存器慨亲，達(dá)到控制 CPU 目的婚瓜，完成計(jì)算任務(wù)。

2.2 芯片架構(gòu)

?arm刑棵、X86兩種芯片架構(gòu)廣泛應(yīng)用在 PC 機(jī)和移動(dòng)端嵌入式設(shè)備中巴刻。前者由arm公司設(shè)計(jì)，后者由Intel蛉签、amd共同設(shè)計(jì)胡陪，雙方交叉授權(quán)使用。arm 是精簡指令集架構(gòu)(RSIC)正蛙，功耗較低督弓，性能隨之也降了下來。x86 是復(fù)雜指令集架構(gòu)(CISC)乒验，功耗較高愚隧，性能強(qiáng)。arm架構(gòu)的寄存器 比 x86架構(gòu) 的多不少锻全。寄存器和指令集加架構(gòu)本身的差異性狂塘，也是造成不能跨平臺(tái)的原因。近幾十年來鳄厌，硬件的性能一直都在飛速發(fā)展荞胡，CPU架構(gòu) 也經(jīng)歷了幾次較大的改變。 x86架構(gòu)從最早的 16 位到 32 位再到現(xiàn)在的 64 位架構(gòu)了嚎。arm架構(gòu) 也從 v1 發(fā)展到了如今的 v8的64位架構(gòu)泪漂。一般新的架構(gòu)都會(huì)向前兼容幾個(gè)版本，保證舊架構(gòu)上的老代碼歪泳，能夠在新架構(gòu)上運(yùn)行萝勤。但這樣做，卻無法發(fā)揮出新架構(gòu)硬件的性能呐伞，無疑是對(duì)資源的浪費(fèi)敌卓。在開發(fā)中如果涉及到底層庫的使用，則需要考慮兼容不同架構(gòu)的CPU伶氢。例如在使用百度地圖SDK時(shí)趟径，會(huì)下載不同CPU架構(gòu)的so文件，還有 X86 架構(gòu)的癣防，就是為了兼容不同CPU架構(gòu)的手機(jī)蜗巧。

cpu_so.png

Android可以通過adb命令來查看cpu信息1、adb shell 2劣砍、cat /proc/cpuinfo

2.3 C語言為什么不能夸平臺(tái)惧蛹？

?通常認(rèn)為 C 語言是編譯型語言。在編譯階段刑枝，編譯器直接將源碼編譯為 對(duì)應(yīng)CPU架構(gòu)和操作系統(tǒng)上的可執(zhí)行文件香嗓。
如下圖所示 c 語言代碼編譯為的匯編代碼：

#include <stdio.h>
int main() {

    printf("Hello World");
    return 0;
}

Windows 部分匯編指令：

微信截圖_20190723174501.png

ubuntu 部分匯編指令：

微信截圖_20190724170811.png

雖然讀不太懂匯編指令，比較了一下差異還是不小的装畅。C 語言更多的是偏向底層開發(fā)靠娱，只要編譯器足夠強(qiáng)大，支持對(duì)應(yīng)平臺(tái)的編譯掠兄，或者對(duì)應(yīng)平臺(tái)提供有C 編譯器(C 語言的編譯器也是眾多語言中最多的)像云。程序就能在對(duì)應(yīng)平臺(tái)執(zhí)行，也許 C 語言從來就沒有想過要跨平臺(tái)蚂夕。

代碼與平臺(tái)有關(guān)性迅诬，是不能跨平臺(tái)的原因。

3. JVM是如何做到跨平臺(tái)的

?講了這么多不能夸平臺(tái)的原因婿牍，再來理解Java是如何做到跨平臺(tái)就容易得多了侈贷。JVM 在編譯階段，只將 .java的源碼等脂，編譯為和平臺(tái)無關(guān)的 .class 字節(jié)碼文件俏蛮。不同 CPU 架構(gòu)和操作系統(tǒng)上都會(huì)編譯為相同的 calss 文件(最多只是 JDK 版本不同，有些許差異上遥，jdk 都會(huì)向前兼容幾個(gè)版本)搏屑。再由不同平臺(tái)上的自行實(shí)現(xiàn)JVM。我們只需要搭建相應(yīng)平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境即可粉楚，便可做到任意平臺(tái)開發(fā)編譯辣恋，到處運(yùn)行。

未命名文件.png

微信截圖_20181120131556.png

微信截圖_20181202221710.png

有些JVM是采用純JIT編譯方式實(shí)現(xiàn)的汽摹，內(nèi)部沒解釋器李丰，例如JRockit、Maxine VM和Jikes RVM ---RednaxelaFX

4.JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)

?內(nèi)存作為程序運(yùn)行中的臨時(shí)存儲(chǔ)介質(zhì)逼泣，本質(zhì)上不進(jìn)行任何的區(qū)域劃分趴泌，為了能夠合理有效的使用回收內(nèi)存，才將內(nèi)存劃分出更多的區(qū)域拉庶。平時(shí)聽得較多的就是堆棧內(nèi)存嗜憔，堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也是一種概念模型氏仗。不同的語言有自己的實(shí)現(xiàn)方式吉捶，通常在 Oop編程中，棧存放函數(shù)執(zhí)行時(shí)所需的局部變量廓鞠，函數(shù)執(zhí)行完即釋放帚稠，堆內(nèi)存存儲(chǔ)對(duì)象。

操作系統(tǒng)內(nèi)存布局

微信圖片_20190730142730.png

?Windows 上棧內(nèi)存由系統(tǒng)回收床佳，堆內(nèi)存由程序員自行回收滋早。因?yàn)闂Ｉ蟽?nèi)存不可控，JVM 只能在操作系統(tǒng)的堆內(nèi)存上開辟自己的空間砌们。

JVM運(yùn)行時(shí)內(nèi)存結(jié)構(gòu)

微信圖片_20190730145126.png

JVM堆

?所有類實(shí)例和數(shù)組都從堆中分配杆麸，官方JVMS8規(guī)范文檔 的確是這樣描述的 The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated 。有一個(gè)很常見情況下浪感，函數(shù)執(zhí)行中產(chǎn)生的對(duì)象在堆中分配昔头，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束，不再引用的對(duì)象影兽，已經(jīng)沒有存在的必要了揭斧。這些對(duì)象在堆中等待下一次GC，而大多對(duì)象朝生即死峻堰，生命周期極短讹开，等待GC這段時(shí)間，也是對(duì)資源的浪費(fèi)捐名。在JDK1.5時(shí)JVM提供支持逃逸分析技術(shù)旦万，通過分析對(duì)象作用域，實(shí)現(xiàn)了棧上分配镶蹋、標(biāo)量替換成艘、同步消除優(yōu)化等技術(shù)赏半。通過函數(shù)傳遞對(duì)象，稱之為方法逃逸淆两。將對(duì)象賦值給其他線程變量断箫，稱之為線程逃逸：

標(biāo)量替換

?不可再分解的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型稱之為標(biāo)量，例如Java中的八大基礎(chǔ)類型和引用類型琼腔。反之救欧、如果某個(gè)對(duì)象還可繼續(xù)分解斯嚎，則該對(duì)象屬于聚合量，Java類就是典型的聚合量朗涩。標(biāo)量替換則是將對(duì)象的成員變量分解成原始數(shù)據(jù)類型尸诽，代替對(duì)象在棧中分配甥材。

棧上分配

?JDK1.8默認(rèn)開啟逃逸分析，確定對(duì)象不會(huì)再被外部引用性含，通過標(biāo)量替換將對(duì)象分解在棧中分配洲赵，棧中的對(duì)象隨著棧幀的出棧而銷毀，大大的減少了堆內(nèi)存的占用和GC的壓力商蕴。

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for(int i = 0 ; i < 1000000;i++){
            Child child = new Child();
            child.setAge(1);
        }
        System.out.println("阻塞...");
        System.in.read();

    }
    public static class Child{
        
        private int age;
        
        private String name;
        //省略get/set方法
    }
}

開啟逃逸分析(1.8默認(rèn)開啟)

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91\bin>jps -l
17456 sun.tools.jps.Jps
19680 linked.Main
7608

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91\bin>jmap -histo 19680

 num     #instances         #bytes  class name
----------------------------------------------
   1:        220734        5297616  linked.Main$Child
   2:           437        1763680  [I
   3:          3099         449536  [C
   4:          2392          57408  java.lang.String
   5:           488          55696  java.lang.Class
   6:            97          41776  [B
   7:           835          33400  java.util.TreeMap$Entry

關(guān)閉逃逸分析:

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91\bin>jps -l
2436 sun.tools.jps.Jps
16536 linked.Main
7608

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91\bin>jmap -histo 16536

 num     #instances         #bytes  class name
----------------------------------------------
   1:       1000000       24000000  linked.Main$Child
   2:           451        1873120  [I
   3:          3099         449536  [C
   4:          2392          57408  java.lang.String
   5:           488          55696  java.lang.Class
   6:            97          41776  [B
   7:           835          33400  java.util.TreeMap$Entry
   

可以看到叠萍，關(guān)閉逃逸分析總共使用堆內(nèi)存 22M ，開啟逃逸分析只使用了 5M 左右绪商。節(jié)約了不少堆內(nèi)存空間苛谷，減少了 GC 壓力。

開啟逃逸-XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC

關(guān)閉逃逸-XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC

同步消除

如果逃逸分析確認(rèn)對(duì)象的作用范圍不會(huì)超過當(dāng)前線程格郁，則消除對(duì)變量的同步措施腹殿。

JVM棧

?JVM棧 是方法執(zhí)行所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)線程都擁有一個(gè)JVM棧例书，隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建锣尉，隨著線程的銷毀而銷毀。JVM棧 以棧幀的單元决采，存放局部變量自沧、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接树瞭、方法返回信息拇厢。具體可以參考

方法區(qū)/元數(shù)據(jù)區(qū)

?方法區(qū)中存放已被虛擬機(jī)加載的類信息，并且每個(gè)類只會(huì)存在一份移迫，作為使用該類的入口旺嬉。我們所編寫的代碼類，經(jīng)過javac編譯器厨埋，編譯存儲(chǔ)為 class 文件邪媳，在使用該類時(shí)(創(chuàng)建類的實(shí)例，調(diào)用了類靜態(tài)方法類等)，如果該類還未加載雨效，會(huì)先將該 class 字節(jié)流從磁盤或者其他途徑方式迅涮，加載存儲(chǔ)到方法區(qū)當(dāng)中，并且創(chuàng)建該類的 class對(duì)象 供以后訪問使用徽龟。

微信圖片_20190730152335.png

運(yùn)行時(shí)常量池

?運(yùn)行時(shí)常量池作為方法區(qū)的一部分叮姑，為每一個(gè)類都維護(hù)一個(gè)常量池，存放著編譯時(shí)已知的字面量和各種符號(hào)引用据悔。具體可見參考第二章

PC寄存器

?每個(gè)JVM線程都有自己的PC(程序計(jì)數(shù)器)寄存器传透。在任何時(shí)候，每個(gè)JVM線程都在執(zhí)行單個(gè)方法的代碼极颓，如果執(zhí)行的不是native方法朱盐，則pc寄存器包含當(dāng)前正在執(zhí)行的Java字節(jié)碼指令的地址。如果當(dāng)前執(zhí)行的native方法菠隆，則PC寄存器的值undefined兵琳。

本地方法棧

?支持 native 方法調(diào)用，隨著線程的創(chuàng)建來分配本地方法棧骇径。

參考：
深入理解Java虛擬機(jī)一書

RednaxelaFX

keycoding