Java虛擬機的起源與構造
當我們說(shuō)到“Java”這個(gè)詞的時(shí)候，指的是四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的概念：Java語(yǔ)言、Java API、JavaClass文件格式、Java虛擬機。整個(gè)Java體系是基于Java虛擬機構造的，正因為如此，才能實(shí)現Java的安全性和網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)性。Java并非是第一個(gè)采用“虛擬機”概念的體系，但卻是第一個(gè)得到廣泛運用的虛擬機平臺。 “虛擬”，是一種隔離物理資源與邏輯資源的手段。Java虛擬機的“虛擬”，則是用來(lái)隔離物理機器、底層操作系統與Java語(yǔ)言規范實(shí)現的手段。
雖然Java是一種面向對象的語(yǔ)言，我們平時(shí)大量使用的，是對象間的多態(tài)、組合(Composition)、委派（Delegation）,但當我們討論虛擬機的時(shí)候，我們看見(jiàn)的基本概念卻是“棧(Stack)”和“堆(Heap)”。根據馮諾依曼的“存儲計算”模型，所有的代碼都保存在代碼空間中，隨著(zhù)程序計數器指針的變化進(jìn)行程序的執行、跳轉。Java虛擬機中沒(méi)有寄存器的概念，方法調用是采用“棧”進(jìn)行的，這是一種安全、簡(jiǎn)潔的方法。
Java虛擬機通過(guò)類(lèi)裝載器支持對類(lèi)的隔離，這也是Java實(shí)現安全性的基礎。每個(gè)類(lèi)都具有自己的命名空間，在具有不同安全級別的沙箱中運行，因此不會(huì )產(chǎn)生低安全級別的代碼來(lái)越權訪(fǎng)問(wèn)高級別代碼的機會(huì )。類(lèi)裝載器的出現是Java虛擬機與大部分用C實(shí)現的虛擬機的顯著(zhù)不同之處。
Java虛擬機的另外一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)就是實(shí)現了自動(dòng)的垃圾收集。在往常，寫(xiě)程序的時(shí)候要牢記對象之間的關(guān)聯(lián)，在每個(gè)程序塊中假若申請了對象空間，就必須在出口釋放掉，方法調用往往同時(shí)也就是對象的邊界。而自動(dòng)垃圾收集帶給開(kāi)發(fā)者的最大好處，就是可以非常方便地從整體上把系統的對象組織成一張對象圖，只需往這張圖中添加對象，維護對象之間的關(guān)聯(lián)，卻不需要自己做復雜的清掃工作。正是有了這種思維單純的對象圖的支持，ORMapping(關(guān)系數據庫與對象映射）技術(shù)在最近得以大行其道，設計模式也更容易被Java群體所接受。
虛擬機的優(yōu)化
1995年第一代的Java出臺之時(shí)，其虛擬機執行是依靠“字節碼解釋器（Byte CodeInterceptor）”的，也就是說(shuō)每條指令都由虛擬機來(lái)當場(chǎng)解釋執行，這造成速度令人抓狂地緩慢。更有甚者有人開(kāi)始總結許多的“速度優(yōu)化經(jīng)驗”，比如說(shuō)：“盡量把所有的代碼都放在較大的方法中執行”與“少用接口”等等，這完全與Java語(yǔ)言的設計目的背道而馳，現在看起來(lái)是多么可笑的奇談怪論，當時(shí)卻是很多程序員津津樂(lè )道的經(jīng)驗之談。無(wú)他，Java本身執行太慢了。Java生命的前十分之三就是如此緩慢地渡過(guò)的。
于是，Sun的工程師開(kāi)始拼命想著(zhù)提高執行速度。JIT靜態(tài)編譯器的出現是在1996年十月，Sun放出了第一個(gè)編譯器。JIT編譯器在每段代碼執行前進(jìn)行編譯，編譯的結果為本地靜態(tài)機器碼，執行速度有了質(zhì)的提高。Symantec公司當時(shí)憑借其傲人的JIT編譯器，在整個(gè)Java界受到熱烈的追捧。在其后的1998年，Java1.2發(fā)布的時(shí)候，附帶了JIT編譯器，從此Java的使用者終于可以?huà)侀_(kāi)上面說(shuō)的那些奇怪的“速度優(yōu)化經(jīng)驗”了。
JIT靜態(tài)編譯器雖然可以解決一些問(wèn)題，但是性能仍然和C/C++有很大的差距。對一段程序而言，一名優(yōu)秀的程序員是如何來(lái)改進(jìn)運行速度的呢？首先，他不會(huì )傻到把所有的代碼都來(lái)優(yōu)化，他會(huì )觀(guān)察、思考到底哪段代碼對整體性能影響最大？然后集中精力來(lái)優(yōu)化這一段代碼。按照經(jīng)驗，整個(gè)程序 10%-20%的代碼，會(huì )占據80%-90%的運行時(shí)間。用這種方法，在同樣的時(shí)間、付出同樣程度的努力后，這名優(yōu)秀的程序員使整個(gè)程序的性能得到了很大程度的優(yōu)化。HotSpot引擎，就是模仿人工的這種方法進(jìn)行優(yōu)化的。在程序運行的開(kāi)始，Java代碼仍然解釋執行，但HotSpot引擎開(kāi)始進(jìn)行采樣(Profiling)。根據采樣的結果，決定某段程序是占用較多運行時(shí)間的，就認為它是“HotSpot”，它也就是目前程序的瓶頸，引擎開(kāi)始啟動(dòng)一個(gè)單獨的線(xiàn)程進(jìn)行優(yōu)化。因為不象原始的JIT編譯器那樣無(wú)差別的編譯所有代碼，HotSpot引擎可以集中精力來(lái)對HotSpot代碼進(jìn)行深度優(yōu)化，這樣這部分代碼執行起來(lái)更加迅捷。之前的靜態(tài)編譯器只能按照預定的策略進(jìn)行編譯優(yōu)化，而HotSpot引擎的優(yōu)化是基于采樣的結果的，因此這種方法對所有的應用程序都有效。1999年3月27日，Sun放出了第一個(gè)HotSpot引擎。在隨后的2000年5月的JDK1.3中，包含了HotSopt引擎，這也使1.3成了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)行版本。到這里，Java的十年生命，已經(jīng)過(guò)去了一半。
HotSpot代表的是一種動(dòng)態(tài)編譯的技術(shù)。對Java這種大量使用委派、組合等面向對象特性的程序來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)編譯比起靜態(tài)編譯來(lái)有顯著(zhù)的優(yōu)勢。比如MethodInlining。方法的調用是一個(gè)很耗時(shí)的操作，假若可以把方法調用直接內嵌到調用者的代碼中，就可以節省大量的時(shí)間， 這被稱(chēng)為“MethodInlining”。因為涉及到類(lèi)的重載，靜態(tài)優(yōu)化很難確切知道哪些屬性、方法被重載，因此很難對method進(jìn)行合并，只好在方法內部進(jìn)行靜態(tài)編譯，假若每個(gè)方法都很小，靜態(tài)優(yōu)化能起到的作用也就比較小。而動(dòng)態(tài)編譯因為可以完全隨時(shí)掌握類(lèi)的重載情況，就可以把相關(guān)的方法合并進(jìn)行深度優(yōu)化?，F代的Java程序，特別是在設計模式教育得到普及之后，大量使用類(lèi)的繼承、委派，形成了很多短小的方法，動(dòng)態(tài)編譯的優(yōu)勢就更加明顯。
自從出現了HotSpot之后，整個(gè)Java界為之一振。
最近的五年，就是繼續優(yōu)化的五年。繼續進(jìn)行優(yōu)化的方法有幾條路，一是研究新的采樣算法。因為采樣關(guān)系到不同的優(yōu)化策略，會(huì )對整體性能有比較大的影響。二是研究深度優(yōu)化的方法。三是研究垃圾收集的算法。垃圾收集會(huì )帶來(lái)程序短暫的停頓，這會(huì )帶來(lái)負面的用戶(hù)體驗。于是，如何提高垃圾收集的效率，減少延遲，出現了五花八門(mén)的算法，比如漸進(jìn)式收集、火車(chē)算法等。在多處理器的時(shí)候，如何利用多處理器進(jìn)行并行收集也是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這方面，BEA的JRocket走在了前面。
現實(shí)生活中的虛擬機
最后，讓我們來(lái)盤(pán)點(diǎn)一下目前市面上可見(jiàn)的各個(gè)虛擬機。
首先要提到的，毫無(wú)疑問(wèn)是Sun的虛擬機。作為大眾心目中的“官方實(shí)現”，Sun擁有最大的用戶(hù)群，并且擁有“兼容基準”的地位，其他虛擬機都必須要考慮和Sun虛擬機的兼容性問(wèn)題。比如JRocket就會(huì )在某些特殊情況下表現出和Sun不同的特性，可能對程序運行有影響。不過(guò)Sun也的確沒(méi)有讓廣大用戶(hù)失望，雖然在早期性能比不上Symantec,后來(lái)在1.2 的時(shí)候性能又被IBM超越，但Sun一直在努力革新，特別是 1.4.2之后，性能有了長(cháng)足的進(jìn)步。雖然JDK1.5的虛擬機在性能上沒(méi)有什么提高，但是增強了穩定性，據說(shuō)修改了8000處bug，真是讓人汗流不止。原來(lái)我們在1.4.2下面一直在享受這么多bug啊。
其次是老牌勁旅IBM。IBM的JDK在1.3的時(shí)代創(chuàng )下了最好的性能記錄，從此樹(shù)立了高端形象。特別是在其WebSphere產(chǎn)品中得到了很好的評價(jià)。其JDK也是最早支持64bit的JDK之一。到了現在，IBM JDK在高端仍然是和BEA可以一拼的。
然后是后起之秀，BEA的JRocket。說(shuō)到BEA突然在JVM領(lǐng)域一夜之間異軍突起，多少讓人有些瞠目，不過(guò)它采取的戰略特別簡(jiǎn)單：自己沒(méi)有，索性花錢(qián)買(mǎi)了在此領(lǐng)域深有研究的JRocket，在前面加上BEA的標志就可以了。JRocket瞄準高端服務(wù)器市場(chǎng)，在多處理器環(huán)境下有不俗的表現。
除此之外，還有幾個(gè)開(kāi)放源代碼的JVM值得一提。首先就是大名鼎鼎的JikesRVM。說(shuō)起其大名，大多數人都知道Jikes編譯器是IBM開(kāi)發(fā)的，效率比同等的javac編譯器高得多，很多開(kāi)發(fā)者都使用Jikes編譯器來(lái)取代javac。而JikesRVM則是IBM開(kāi)源出來(lái)的一整套虛擬機技術(shù)，包含了JIT，GC的完整實(shí)現，在其網(wǎng)站上也有眾多的論文，實(shí)在是想要深入研究JVM者的絕佳資源(http://jikesrvm.sourceforge.net)。
Kaffe是一個(gè)老牌的JVM,不過(guò)現在已經(jīng)很少聽(tīng)到了。作者撰寫(xiě)此文時(shí)，www.kaffe.org網(wǎng)站已經(jīng)沒(méi)有響應，也不知道現在的情況如何了。
GNU則有兩個(gè)計劃：GCJ和GNU classpath。GNU classpath是一個(gè)底層實(shí)現，而GCJ是支持java的預編譯器。
結束語(yǔ)
時(shí)光流轉，轟轟烈烈的Java虛擬機性能爭論仿佛還在耳邊回響，現在新的爭論卻已經(jīng)是“Java的性能是否已經(jīng)超越C/C++”。JoakimDahlstedt 是 JRockit 的主要架構設計師之一，他堅持認為，Java絕不是一種速度慢，效率低的語(yǔ)言，JVM是一個(gè)關(guān)鍵的組件，確保了系統的部署與運行和開(kāi)發(fā)一樣快速、輕松。特別是在目前開(kāi)發(fā)趨勢是采用大量預制的框架時(shí)，動(dòng)態(tài)編譯有可能比C/C++這樣的靜態(tài)優(yōu)化獲得更好的性能。
真想靜下心來(lái)好好找個(gè)開(kāi)源的JVM研讀一番.
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