Java、Python與PHP的虛擬機(jī)異同

Java-JVM

定義

• JDK(Java Development Kit) 是 Java 語言的軟件開發(fā)工具包（SDK）浑侥。JDK 物理存在姊舵，是 programming tools、JRE 和 JVM 的一個集合
• JRE（Java Runtime Environment）Java 運(yùn)行時環(huán)境寓落，JRE 物理存在括丁，主要由Java API 和 JVM 組成，提供了用于執(zhí)行 java 應(yīng)用程序最低要求的環(huán)境伶选。
• JVM(Java Virtual Machine) 是一種軟件實(shí)現(xiàn)史飞，執(zhí)行像物理機(jī)程序的機(jī)器（即電腦）尖昏。JVM 通過執(zhí)行 Java bytecode 可以使 java 代碼在不改變的情況下運(yùn)行在各種硬件之上。JVM是基于棧的构资。

JVM 執(zhí)行

• 加載代碼
• 驗(yàn)證代碼
• 執(zhí)行代碼
• 提供運(yùn)行環(huán)境

JVM 生命周期

• 啟動：任何一個擁有main函數(shù)的class都可以作為JVM實(shí)例運(yùn)行的起點(diǎn)
• 運(yùn)行：main函數(shù)為起點(diǎn)会宪，程序中的其他線程均有它啟動，包括daemon守護(hù)線程和non-daemon普通線程蚯窥。daemon是JVM自己使用的線程比如GC線程掸鹅，main方法的初始線程是non-daemon。
• 消亡：所有線程終止時拦赠，JVM實(shí)例結(jié)束生命巍沙。

JVM結(jié)構(gòu)及內(nèi)存模型

名詞解釋：

• Class Loader：類加載器負(fù)責(zé)加載程序中的類型（類和接口），并賦予唯一的名字荷鼠。為什么使用雙親委托模型——ClassLoader 隔離問題句携。
• Execution Engine：執(zhí)行引擎。執(zhí)行引擎以指令為單位讀取 Java 字節(jié)碼允乐。它就像一個 CPU 一樣矮嫉，一條一條地執(zhí)行機(jī)器指令。
• Runtime Data Areas:：運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)牍疏。
• PS：想起面試的時候被問到過這樣的問題：你在使用java過程中是否遇到過OOM的情況蠢笋？當(dāng)時一陣懵比。現(xiàn)在總結(jié)下：
  • PC寄存器（PC Register）是唯一一個在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域鳞陨。
  • JVM 棧（Java Virtual Machine Stack）：如果JVM Stack可以動態(tài)擴(kuò)展昨寞，但是在嘗試擴(kuò)展時無法申請到足夠的內(nèi)存去完成擴(kuò)展，或者在建立新的線程時沒有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對應(yīng)的虛擬機(jī)棧時拋出厦滤。
  • 本地方法棧(Native method stack)：如果本地方法椩遥可以動態(tài)擴(kuò)展，并且擴(kuò)展的動作已經(jīng)嘗試過掏导，但是目前無法申請到足夠的內(nèi)存去完成擴(kuò)展享怀，或者在建立新的線程時沒有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對應(yīng)的本地方法棧，那Java虛擬機(jī)將會拋出一個OutOfMemoryError異常趟咆。
  • 方法區(qū)(Method area)：如果方法區(qū)的內(nèi)存空間不能滿足內(nèi)存分配請求添瓷，那Java虛擬機(jī)將拋出一個OutOfMemoryError異常。
  • 運(yùn)行時常量池(Runtime constant pool)：當(dāng)創(chuàng)建類和接口時忍啸，如果構(gòu)造運(yùn)行時常量池所需的內(nèi)存空間超過了方法區(qū)所能提供的最大內(nèi)存空間后就會拋出OutOfMemoryError
  • 堆(Heap)：如果實(shí)際所需的堆超過了自動內(nèi)存管理系統(tǒng)能提供的最大容量時拋出仰坦。
  • 總結(jié)一下就是無法申請到足夠的內(nèi)存以及超出最大容量兩方面原因

垃圾回收

• 新生代

  新生代由 Eden 與 Survivor Space（S0，S1）構(gòu)成计雌，大小通過-Xmn參數(shù)指定悄晃，Eden 與 Survivor Space 的內(nèi)存大小比例默認(rèn)為8:1，可以通過-XX:SurvivorRatio 參數(shù)指定，比如新生代為10M 時妈橄，Eden分配8M庶近，S0和S1各分配1M。

  Eden：希臘語眷蚓，意思為伊甸園鼻种，在圣經(jīng)中，伊甸園含有樂園的意思沙热，根據(jù)《舊約·創(chuàng)世紀(jì)》記載叉钥，上帝耶和華照自己的形像造了第一個男人亞當(dāng)，再用亞當(dāng)?shù)囊粋€肋骨創(chuàng)造了一個女人夏娃篙贸，并安置他們住在了伊甸園投队。

  大多數(shù)情況下，對象在Eden中分配爵川，當(dāng)Eden沒有足夠空間時敷鸦，會觸發(fā)一次Minor GC，虛擬機(jī)提供了-XX:+PrintGCDetails參數(shù)寝贡，告訴虛擬機(jī)在發(fā)生垃圾回收時打印內(nèi)存回收日志扒披。

  Survivor：意思為幸存者，是新生代和老年代的緩沖區(qū)域圃泡。
  當(dāng)新生代發(fā)生GC（Minor GC）時碟案，會將存活的對象移動到S0內(nèi)存區(qū)域，并清空Eden區(qū)域洞焙，當(dāng)再次發(fā)生Minor GC時蟆淀，將Eden和S0中存活的對象移動到S1內(nèi)存區(qū)域。

  存活對象會反復(fù)在S0和S1之間移動澡匪，當(dāng)對象從Eden移動到Survivor或者在Survivor之間移動時，對象的GC年齡自動累加褒链，當(dāng)GC年齡超過默認(rèn)閾值15時唁情，會將該對象移動到老年代，可以通過參數(shù)-XX:MaxTenuringThreshold 對GC年齡的閾值進(jìn)行設(shè)置甫匹。

• 老年代

  老年代的空間大小即-Xmx 與-Xmn 兩個參數(shù)之差甸鸟，用于存放經(jīng)過幾次Minor GC之后依舊存活的對象。當(dāng)老年代的空間不足時兵迅，會觸發(fā)Major GC/Full GC抢韭，速度一般比Minor GC慢10倍以上。

• 永久代

  在JDK8之前的HotSpot實(shí)現(xiàn)中恍箭，類的元數(shù)據(jù)如方法數(shù)據(jù)刻恭、方法信息（字節(jié)碼，棧和變量大小）鳍贾、運(yùn)行時常量池鞍匾、已確定的符號引用和虛方法表等被保存在永久代中，32位默認(rèn)永久代的大小為64M骑科，64位默認(rèn)為85M橡淑，可以通過參數(shù)-XX:MaxPermSize進(jìn)行設(shè)置，一旦類的元數(shù)據(jù)超過了永久代大小咆爽，就會拋出OOM異常梁棠。

  虛擬機(jī)團(tuán)隊在JDK8的HotSpot中，把永久代從Java堆中移除了斗埂，并把類的元數(shù)據(jù)直接保存在本地內(nèi)存區(qū)域（堆外內(nèi)存）掰茶，稱之為元空間。

  這樣做有什么好處蜜笤？
  有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)會發(fā)現(xiàn)濒蒋，對永久代的調(diào)優(yōu)過程非常困難，永久代的大小很難確定把兔，其中涉及到太多因素沪伙，如類的總數(shù)、常量池大小和方法數(shù)量等县好，而且永久代的數(shù)據(jù)可能會隨著每一次Full GC而發(fā)生移動围橡。

  而在JDK8中，類的元數(shù)據(jù)保存在本地內(nèi)存中缕贡，元空間的最大可分配空間就是系統(tǒng)可用內(nèi)存空間翁授，可以避免永久代的內(nèi)存溢出問題，不過需要監(jiān)控內(nèi)存的消耗情況晾咪，一旦發(fā)生內(nèi)存泄漏收擦，會占用大量的本地內(nèi)存。

判斷垃圾回收

1. 引用計數(shù)法：在對象上添加一個引用計數(shù)器谍倦，每當(dāng)有一個對象引用它時塞赂，計數(shù)器加1，當(dāng)使用完該對象時昼蛀，計數(shù)器減1宴猾，計數(shù)器值為0的對象表示不可能再被使用。引用計數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡單叼旋，判定高效仇哆，但不能解決對象之間相互引用的問題。

2. 可達(dá)性分析法：通過一系列稱為 “GC Roots” 的對象作為起點(diǎn)夫植，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索讹剔，搜索路徑稱為 “引用鏈”，以下對象可作為GC Roots：

   • 本地變量表中引用的對象
   • 方法區(qū)中靜態(tài)變量引用的對象
   • 方法區(qū)中常量引用的對象
   • Native方法引用的對象

   當(dāng)一個對象到 GC Roots 沒有任何引用鏈時，意味著該對象可以被回收辟拷。

垃圾回收算法

1. 標(biāo)記-清除算法
   對待回收的對象進(jìn)行標(biāo)記撞羽。
   算法缺點(diǎn)：效率問題，標(biāo)記和清除過程效率都很低衫冻；空間問題诀紊，收集之后會產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片北秽，不利于大對象的分配叨橱。
2. 復(fù)制算法
   復(fù)制算法將可用內(nèi)存劃分成大小相等的兩塊A和B，每次只使用其中一塊辜妓，當(dāng)A的內(nèi)存用完了为居，就把存活的對象復(fù)制到B碌宴，并清空A的內(nèi)存，不僅提高了標(biāo)記的效率蒙畴，因?yàn)橹恍枰獦?biāo)記存活的對象贰镣，同時也避免了內(nèi)存碎片的問題，代價是可用內(nèi)存縮小為原來的一半膳凝。
3. 標(biāo)記-整理算法
   在老年代中碑隆，對象存活率較高，復(fù)制算法的效率很低蹬音。在標(biāo)記-整理算法中上煤，標(biāo)記出所有存活的對象，并移動到一端著淆，然后直接清理邊界以外的內(nèi)存劫狠。

參考文章

1. 清蒸 JVM （一）

2. Java GC的那些事（上）

3. Java GC的那些事（下）

Python

PVM

PVM是Python的運(yùn)行引擎。他通常表現(xiàn)為python系統(tǒng)的一部分永部。并且他是實(shí)際運(yùn)行腳本的組件独泞。

編譯器：將源碼編譯成運(yùn)行在虛擬機(jī)上執(zhí)行的opcode(pyc文件)，pyc文件是在python虛擬機(jī)上執(zhí)行的一種跨平臺字節(jié)碼扬舒。

運(yùn)行時：虛擬機(jī)解釋器把opcode(pyc文件)解釋成具體機(jī)器的機(jī)器碼阐肤，執(zhí)行。

JVM與PVM

• Java代碼從源程序到執(zhí)行讲坎，要經(jīng)過的過程是：編譯器(javac)把源代碼轉(zhuǎn)化為字節(jié)碼，然后解釋器（Java.exe）把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為計算機(jī)理解的機(jī)器碼來執(zhí)行愧薛。其中編譯器和解釋器都是Java虛擬機(jī)（JVM）的一部分晨炕，由于針對不同的硬件與OS，Java解釋器有所不同毫炉，因此可以實(shí)現(xiàn)“一次編譯瓮栗、到處執(zhí)行”。所以JVM是Java跨平臺特性的關(guān)鍵所在。
• 對于Python费奸，其源代碼到執(zhí)行也要經(jīng)過如下過程：源代碼--->字節(jié)碼--->機(jī)器碼弥激。與Java不同的是，Python使用的虛擬機(jī)是基于其他語言實(shí)現(xiàn)的愿阐，比如我們一般使用的Python實(shí)際為Cpython微服，也就是其虛擬機(jī)由C實(shí)現(xiàn)，這個虛擬機(jī)負(fù)責(zé)把Python源碼編譯為字節(jié)碼缨历，再解釋執(zhí)行以蕴。另外，還有Jypython辛孵、Ironpython等丛肮。

PHP-Zend&HHVM

• Zend引擎默認(rèn)做法，是先編譯為opcode魄缚，然后再逐條執(zhí)行宝与，通常每條指令對應(yīng)的是C語言級別的函數(shù)。如果我們產(chǎn)生大量重復(fù)的opcode（純PHP寫的代碼和函數(shù)）冶匹，對應(yīng)的則是Zend多次逐條執(zhí)行這些C代碼习劫。
• HHVM生成和執(zhí)行PHP的中間字節(jié)碼（HHVM生成自己格式的中間字節(jié)碼），執(zhí)行時通過JIT（Just In Time徙硅，即時編譯是種軟件優(yōu)化技術(shù)榜聂，指在運(yùn)行時才會去編譯字節(jié)碼為機(jī)器碼）轉(zhuǎn)為機(jī)器碼執(zhí)行。JIT將大量重復(fù)執(zhí)行的字節(jié)碼在運(yùn)行的時候編譯為機(jī)器碼嗓蘑，達(dá)到提高執(zhí)行效率的目的须肆。通常，觸發(fā)JIT的條件是代碼或者函數(shù)被多次重復(fù)調(diào)用桩皿。

寫在最后

時間匆忙豌汇，囫圇吞棗，努力完善泄隔。

后端開發(fā)離不開Java拒贱，python和php，深入學(xué)習(xí)原理佛嬉，比較異同逻澳，最佳使用。

2017.06.23