剖析 JVM

Java 不仅仅是一种编程语言。它是一套“全覆盖的体系”，涵盖了多种工具、运行时，甚至一整个社区。在这篇文章中，我们将着眼于这套“全覆盖的体系”下的一个组成部分：Java 虚拟机。Java 虚拟机究竟是什么，它如何运作？

Java 在最受欢迎的语言排行榜中一直名列前茅。这背后的真正原因并不在于语言本身，而在于 JVM，以及它赋予开发人员的强大能力。

Azul 副首席技术官 Simon Ritter

理解 JDK、JRE 和 JVM 之间的差异

在软件领域，各种缩写词汇纷繁复杂，可能会引发混淆，甚至导致特定术语被误用。因此，我们首先需要明确以下几个术语的区别。

JDK：Java 开发工具包

JDK 位于 Java 生态系统的最顶端，是其他所有元素的“根源”。每当 Java 更新版本时，都会推出全新版本的 JDK，其中将包含各种改进、错误修复和安全补丁，并且会新增或移除一些工具。JDK 包含以下几个组成部分：

• JVM=Java 虚拟机：可执行的 java，用于运行您的应用程序。其工作原理将在下文详述。
• 用于开发 Java 应用程序的库，由 5000 多个类组成，包含 java.util、java.text、java.nio、java.sql…
• 一套帮助您创建、监控和运行 Java 应用程序的工具，例如：
  • javac：用于将 Java 类编译成字节码
  • javadoc：基于您的 Java 源文件生成包含 API 文档的 HTML 页面
  • jshell：在 Shell 终端中与 Java 代码交互并执行 Java 代码
  • 等等。

JRE：Java 运行时环境

在 Java 9 之前，每个 JDK 都具有配套的 JRE，它包含与 JDK 相同的 JVM 和库，但只提供有限的工具集。因此，它可以视作 JDK 的子集。JRE 的设计目标是，使执行应用程序的设备无需承担所有工具的开销。此外，JRE 的文件更小，便于下载和分发。然而，Java 9 引入了模块，允许您使用 jlink 构建运行时，只在其中包含运行应用程序所需的模块，而且，您创建的运行时将比 JDK 或 JRE 小得多。

由于许多组织仍依赖于使用 JRE 的方法，Azul 及其他提供商依然会为新版本创建 JRE。请访问 Azul 核心下载页面，查看所有可用 JRE 的列表。

JVM 内部机制

正如我们所了解到的，Java 虚拟机 (JVM) 是 JDK 的一部分，它负责运行我们的应用程序，被称为“托管式运行环境”。  在这个术语中，“托管式”是关键，因为它意味着，JVM 不仅执行代码，还能在此基础上处理大量额外功能。JVM 在应用程序和运行应用程序的机器之间建立了中间层。

一次编写，处处运行

这是 Java 在诞生时就提出的承诺。作为开发人员，您只需编写一套代码库，即可在任意平台上执行您的程序，不受操作系统（Windows、Mac、Linux 等）和硬件架构（x86、ARM、aarch64 等）的限制。为此，您需要将 Java 代码转换为字节码。这是开发人员的职责，您可以通过 Maven 或 Gradle 等构建工具，利用 javac 完成这项任务。这些字节码将通过 JVM 在机器上执行，这意味着您可以在任何平台上运行任何类！

为了实现这一目标，必须针对各个受支持的操作系统和平台，将 JVM 字节码“转译”成其所需的特定原生代码。这意味着，为了能够支持不同的平台，作为开发人员的您本来需要编写所有不同的实现，而现在，Java 系统的开发者已经替您处理了这一切。您可以查看源代码，了解如何在 Java 项目中实现这一点。所有这些代码都可以在 GitHub 上免费获取。例如，通过这个链接，就可以找到 HotSpot 的不同实现，如下面的项目截图所示。

即时编译

应用程序启动时，字节码将通过 JVM 中的模板模型直接转换为平台指令。此时，尚未执行任何优化，Java 的运行速度将慢于功能相似的原生编译代码。然而，与此同时，JVM 会立即追踪每个方法的调用频次。一旦达到预定义的阈值（也被称为 HotSpot），JVM 内部的即时 (JIT) 编译器将开始分两个阶段执行工作：

• C1 JIT：首次转换为原生代码。
  • 一旦方法被检测为 Hotspot，其代码就会被重新编译为原生代码。
  • 这一过程会尽快完成，仅提供最低限度的优化，一旦这些原生代码得到使用，JVM 会再次对其做出分析，了解其使用情况。
• C2 JIT：尽可能地实现最佳优化。
  • 同样，当达到特定阈值时，JVM 将再次重新编译，生成原生代码，但为了达到最佳性能，这次编译将花费更多时间，因为需要将分析纳入考虑范围，以实现最佳性能。
  • 此时，生成的原生代码将完美地符合代码的适用情况。
  • 这意味着，根据运行环境、需要处理的数据、触发代码执行的事件等因素，相同的代码可以产生不同的原生代码。
  • Azul Zulu Prime 包含一种 C2 的替代方案：Falcon JIT。它基于开源项目 LLVM，在大多数情况下，与传统 C2 相比，其生成的代码性能更出色。如需更多信息，请参阅 Azul 文档中的《使用 Falcon 编译器》。

观察下方图表，我们可以看到，从解释型字节码（黄色）转换到最初的优化代码（C1，绿色），再到在最终优化代码（C2，蓝色）中达到最佳性能，应用程序的速度是如何提升的。如需关于这个主题的更多信息，以及如何“调整”应用程序，以改进这些步骤，请参阅《分析和调整的预备知识》。

JIT 与预先 (AOT) 编译相反，生成的原生代码针对具体任务进行优化后，表现通常更佳。

如果想深入了解字节码转换为原生代码的过程，可以阅读 Simon Ritter 的以下博客文章： 

• 《理解 Java 编译：JVM 中从字节码到机器代码的转换》
• 《对解释的探讨：JVM 中从字节码到机器代码的转换》

内存管理

JVM 的另一项职责是自动执行内存管理。C、C++ 等其他编程语言需要开发人员分配 (malloc) 和释放内存，如果处理不当，将导致出现内存问题。垃圾回收器 (GC) 是 JVM 中专门为您处理该问题的组件。它让开发人员彻底摆脱了管理内存使用的烦恼。GC 会定期查找代码中不再需要且未被引用的对象，并释放内存空间，以便重新利用。

您可以在此处找到专门介绍垃圾回收器的文章：《作为 Java 开发人员，我应该了解垃圾回收的哪些知识？》

线程管理

线程管理以及线程间的交互也由 JVM 负责处理。

OpenJDK 19 中包含 Project Loom 和 Virtual Threads 的首个评估版本，在 Java 内部引入了独立于操作系统线程的多级线程。这将为 Java 中的线程使用方式带来新变革。通过与操作系统线程数量保持独立，将会大幅提升效率，并对可扩展性以及流式传输或消息传递应用程序产生重要影响。

如需更多信息，请访问此处：《JDK 19 以及 Java 用户应了解的其相关信息》。

静态与动态之间的差异

我们经常听到人们使用另一个术语“静态类型语言”描述 Java。这里的“静态”是指变量的使用方式。声明新值时，您需要定义一个类型，该类型在之后将无法更改。例如，使用 String label = “Hello, World!” 进行声明后，您将无法为变量 label 指定数字类型的值。这一点与 JavaScript 之类的语言不同。具有动态类型语言背景的新手 Java 程序员可能会对此感到困惑，但这种方式能在执行代码时预防许多问题和错误。
请记住，“静态”与值的定义方式相关，因为类正好相反，它是以“动态”方式在运行时加载的！这允许应用程序根据环境或特定设置，正确地发挥作用。例如，基于环境设置，您可以在测试和生产中使用不同的数据库。在每一种情况下，都可以动态地加载其他类，与数据库交互。

“Azul 版 OpenJDK”是什么？

所有 Java 运行时都必须以相同的方式发挥作用，确保用户无论使用何种 JDK 发行版，其应用程序都将产生相同的结果。为了实现这一点，每个发行版都必须符合 Java SE 规范，该规范由 Java Community Process (JCP) 的相关 Java 规范提案 (JSR) 定义。

要验证是否符合规范，发行版必须通过 Java 技术兼容性工具包 (TCK) 的所有测试。虽然大多数发行版都基于 OpenJDK，但这并不意味着所有发行版都是以相同的方式来实现的！Azul 提供了两个发行版，二者都通过了 TCK 测试，但又又有很大差别。

Azul Zulu 版 OpenJDK（又名 Zulu）

• 此 OpenJDK 版本几乎与原版 OpenJDK 完全相同。
• 它没有任何功能上的变化。
• 但是，它包含对旧版本的错误修复和安全改进。举例而言，Azul 是唯一仍在创建新版本 JDK 7，并将对安全性和错误的修复反向移植到其中的发行商。
• Azul 为所有版本提供 JRE 发行版。
• Azul 也在持续更新和维护几乎不被所有发行商支持的版本（例如JDK 7）。
• Azul 以以下方式提供：
  • Azul Zulu 版 OpenJDK：
    • 可直接替代任何 OpenJDK。
    • 可免费下载和使用。
  • Azul Platform Core:
    • 在 Azul Zulu 版 OpenJDK 的基础上，额外提供支持、升级和附加工具。
    • 提供用于评估和开发的免费版本，以及授权版本。

Azul Prime 版 OpenJDK（又名 Prime）

• • 该发行版基于 OpenJDK。
• • 但是，它做出了一些功能上的更改：
  • • 移除了 OpenJDK 垃圾回收器的所有实现，将其替换为 Azul C4 垃圾回收器。
  • • 虽然没有移除 C2 JIT 编译器，但添加了 Azul Falcon 编译器，您可以通过启动选项选择要使用的编译器。
• • JDK 内部增加了以下额外功能：
  • • Connected Runtime Service (CRS)，可以连接到 Azul 漏洞检测，帮助实时识别安全问题。
  • • ReadyNow，一种使 Java 应用程序可以快速启动并保持快速运行的技术。
• • 在 Azul Platform Prime 中提供：
  • • 在 Azul Prime 版 OpenJDK 的基础上，额外提供 C4、Falcon、ReadyNow、支持、升级和附加工具。
  • • 提供用于评估和开发的免费版本，以及授权版本。

Azul JDK 发行版可通过“下载 Azul JDK”页面下载。

结语

与其他语言相比，JVM 处理了开发人员不希望处理，也不需要处理的许多任务。这将有助于您专注于业务逻辑和实际的实施工作！