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    java虛擬機的十年

    • 作者:新網(wǎng)
    • 來源:新網(wǎng)
    • 瀏覽:100
    • 2018-05-12 10:48:54

    當(dāng)我們說到“Java”這個詞的時候,指的是四個相互關(guān)聯(lián)的概念:Java語言、Java API、Java Class文件格式、Java虛擬機。 “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”,則是用來隔離物理機器、底層操作系統(tǒng)與Java語言規(guī)范實現(xiàn)的手段。

       當(dāng)我們說到“Java”這個詞的時候,指的是四個相互關(guān)聯(lián)的概念:Java語言、Java API、Java Class文件格式、Java虛擬機。 “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”,則是用來隔離物理機器、底層操作系統(tǒng)與Java語言規(guī)范實現(xiàn)的手段。

      雖然Java是一種面向?qū)ο蟮恼Z言,我們平時大量使用的,是對象間的多態(tài)、組合(Composition)、委派(Delegation),但當(dāng)我們討論虛 擬機的時候,我們看見的基本概念卻是“棧(Stack)”和“堆(Heap)”。根據(jù)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,隨著程 序計數(shù)器指針的變化進行程序的執(zhí)行、跳轉(zhuǎn)。Java虛擬機中沒有寄存器的概念,方法調(diào)用是采用“棧”進行的,這是一種安全、簡潔的方法。
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      Java 虛擬機通過類裝載器支持對類的隔離,這也是Java實現(xiàn)安全性的基礎(chǔ)。每個類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,因此不會產(chǎn)生低安全 級別的代碼來越權(quán)訪問高級別代碼的機會。類裝載器的出現(xiàn)是Java虛擬機與大部分用C實現(xiàn)的虛擬機的顯著不同之處。
      Java虛擬機的另外一個顯著 特點就是實現(xiàn)了自動的垃圾收集。在往常,寫程序的時候要牢記對象之間的關(guān)聯(lián),在每個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(diào)用往往同時也 就是對象的邊界。而自動垃圾收集帶給開發(fā)者的最大好處,就是可以非常方便地從整體上把系統(tǒng)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(fù)雜的清掃工作。正是有了這種思維單純的對象圖的支持,OR Mapping(關(guān)系數(shù)據(jù)庫與對象映射)技術(shù)在最近得以大行其道,設(shè)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,其虛擬機執(zhí)行是依靠“字節(jié)碼解釋器(Byte Code Interceptor)”的,也就是說每條指令都由虛擬機來當(dāng)場解釋執(zhí)行,這造成速度令人抓狂地緩慢。更有甚者有人開始總結(jié)許多的“速度優(yōu)化經(jīng)驗”,比 如說:“盡量把所有的代碼都放在較大的方法中執(zhí)行”與“少用接口”等等,這完全與Java語言的設(shè)計目的背道而馳,現(xiàn)在看起來是多么可笑的奇談怪論,當(dāng)時 卻是很多程序員津津樂道的經(jīng)驗之談。無他,Java本身執(zhí)行太慢了。Java生命的前十分之三就是如此緩慢地渡過的。
      于是,Sun的工程師開始拼 命想著提高執(zhí)行速度。JIT靜態(tài)編譯器的出現(xiàn)是在1996年十月,Sun放出了第一個編譯器。JIT編譯器在每段代碼執(zhí)行前進行編譯,編譯的結(jié)果為本地靜 態(tài)機器碼,執(zhí)行速度有了質(zhì)的提高。Symantec公司當(dāng)時憑借其傲人的JIT編譯器,在整個Java界受到熱烈的追捧。在其后的1998年,Java 1.2發(fā)布的時候,附帶了JIT編譯器,從此Java的使用者終于可以拋開上面說的那些奇怪的“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改進運行速度的呢?首先,他不會傻到把所有的代碼都來優(yōu)化, 他會觀察、思考到底哪段代碼對整體性能影響最大?然后集中精力來優(yōu)化這一段代碼。按照經(jīng)驗,整個程序 10%-20%的代碼,會占據(jù) 80%-90%的運行時間。用這種方法,在同樣的時間、付出同樣程度的努力后,這名優(yōu)秀的程序員使整個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行優(yōu)化的。在程序運行的開始,Java代碼仍然解釋執(zhí)行,但HotSpot引擎開始進行采樣(Profiling)。根據(jù)采 樣的結(jié)果,決定某段程序是占用較多運行時間的,就認為它是“HotSpot”,它也就是目前程序的瓶頸, 引擎開始啟動一個單獨的線程進行優(yōu)化。因為不象原始的 JIT編譯器那樣無差別的編譯所有代碼,HotSpot引擎可以集中精力來對HotSpot代碼進行深度優(yōu)化,這樣這部分代碼執(zhí)行起來更加迅捷。之前的靜 態(tài)編譯器只能按照預(yù)定的策略進行編譯優(yōu)化,而HotSpot引擎的優(yōu)化是基于采樣的結(jié)果的,因此這種方法對所有的應(yīng)用程序都有效。1999年3月27日, Sun放出了第一個HotSpot引擎。在隨后的2000年5月的JDK 1.3中,包含了HotSopt引擎,這也使1.3成了一個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)過去了一半。
      HotSpot 代表的是一種動態(tài)編譯的技術(shù)。對Java這種大量使用委派、組合等面向?qū)ο筇匦缘某绦騺碚f,動態(tài)編譯比起靜態(tài)編譯來有顯著的優(yōu)勢。比如Method Inlining。方法的調(diào)用是一個很耗時的操作,假若可以把方法調(diào)用直接內(nèi)嵌到調(diào)用者的代碼中,就可以節(jié)省大量的時間, 這被稱為“Method Inlining”。因為涉及到類的重載,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進行合并,只好在方法內(nèi)部進行靜態(tài)編譯,假 若每個方法都很小,靜態(tài)優(yōu)化能起到的作用也就比較小。而動態(tài)編譯因為可以完全隨時掌握類的重載情況,就可以把相關(guān)的方法合并進行深度優(yōu)化?,F(xiàn)代的Java 程序,特別是在設(shè)計模式教育得到普及之后,大量使用類的繼承、委派,形成了很多短小的方法,動態(tài)編譯的優(yōu)勢就更加明顯。
      自從出現(xiàn)了HotSpot之后,整個Java界為之一振。
    最 近的五年,就是繼續(xù)優(yōu)化的五年。繼續(xù)進行優(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。垃圾收集會帶來程序短暫的停頓,這會帶來負面的用戶體驗。于是,如何提高垃圾收集的效率,減少延遲,出現(xiàn)了五 花八門的算法,比如漸進式收集、火車算法等。在多處理器的時候,如何利用多處理器進行并行收集也是研究的一個熱點。
       首先要 提到的,毫無疑問是Sun的虛擬機。作為大眾心目中的“官方實現(xiàn)”,Sun擁有最大的用戶群,并且擁有“兼容基準”的地位,其他虛擬機都必須要考慮和 Sun虛擬機的兼容性問題。比如 JRocket就會在某些特殊情況下表現(xiàn)出和Sun不同的特性,可能對程序運行有影響。不過Sun也的確沒有讓廣大用戶失望,雖然在早期性能比不上 Symantec,后來在1.2 的時候性能又被IBM超越,但Sun一直在努力革新,特別是 1.4.2之后,性能有了長足的進步。雖然JDK 1.5的虛擬機在性能上沒有什么提高,但是增強了穩(wěn)定性,據(jù)說修改了8000處bug,真是讓人汗流不止。原來我們在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的時代創(chuàng)下了最好的性能記錄,從此樹立了高端形象。特別是在其WebSphere產(chǎn)品中得到了很好的評價。其JDK也是最早支持64bit的JDK之一。到了現(xiàn)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,不過它采取的戰(zhàn)略特別簡單:自己沒有,索性花錢 買了在此領(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,在多處理器環(huán)境下有不俗的表現(xiàn)。
      除 此之外,還有幾個開放源代碼的JVM值得一提。首先就是大名鼎鼎的JikesRVM。說起其大名,大多數(shù)人都知道Jikes編譯器是 IBM開發(fā)的,效率比同等的javac編譯器高得多,很多開發(fā)者都使用Jikes編譯器來取代javac。而JikesRVM則是IBM開源出來的一整套 虛擬機技術(shù),包含了JIT,GC的完整實現(xiàn),在其網(wǎng)站上也有眾多的論文,實在是想要深入研究JVM者的絕佳資源(https://jikesrvm.sourceforge.net)。
      Kaffe是一個老牌的JVM,不過現(xiàn)在已經(jīng)很少聽到了。作者撰寫此文時,www.kaffe.org網(wǎng)站已經(jīng)沒有響應(yīng),也不知道現(xiàn)在的情況如何了。
      GNU則有兩個計劃:GCJ和GNU classpath。GNU classpath是一個底層實現(xiàn),而GCJ是支持java的預(yù)編譯器。
      以上就是小編總結(jié)的虛擬的歷史。

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