谈谈对Java平台的理解

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2018-12-27 java JVM 阅读量

知其然而不知其所以然

如果谈起对Java的理解，对于这类笼统的问题，或许会稍微紧张一下，有点知其然而不知其所以然的感觉，可能不知从何说起或者回答会有稍微片面，所以今天就点到线地整理一下对Java的理解。

JRE、JDK、JIT、AOT

如果从java的运行开始说起，我们日常会接触到 JRE（Java Runtime Environment）或者 JDK（Java Development Kit）。 JRE，也就是 Java 运行环境，包含了 JVM 和 Java 类库，以及一些模块等。而 JDK 可以看作是 JRE 的一个超集，提供了更多工具，比如编译器、各种诊断工具等。

Write once, run anywhere

还记得当初Java宣传的一句话吗，”Write once, run anywhere”，一次编译，到处执行，体现Java跨平台的特性。

Java的跨平台特性与Java虚拟机的存在密不可分，可在不同的环境中运行；比如说Windows平台和Linux平台都有相应的JDK，安装好JDK后也就有了Java语言的运行环境。其实Java语言本身与其他的编程语言没有特别大的差异，并不是说Java语言可以跨平台，而是在不同的平台都有可以让Java语言运行的环境而已，所以才有了Java一次编译，到处运行这样的效果。

众所周知，我们通常把Java分为编译期和运行时。这里说的Java的编译和C/C++是有着不同的意义的，Javac的编译，编译Java源码生成 .class 字节码文件，这个字节码文件是可以到处运行的，这是第一次编译；然后这个字节码文件就由JVM来进行第二次编译，转换成目标的机器代码，这就体现了跨平台特性，这个过程也是叫作Java解释执行。

跟C/C++最大的不同点在于，C/C++编程是面向操作系统的，需要开发者极大地关系不同操作系统之间的差异性；而Java平台通过JVM虚拟机屏蔽了操作系统和硬件的底层细节，使得开发者无需过多地关心不同操作系统之间的差异性。通过增加一个间接的中间层来进行“解耦”，是计算机领域非常常用的一种“艺术手法”，JVM虚拟机是这样，操作系统是这样，Http也是这样。

Java解释执行：我们开发的Java的源代码，首先通过Javac编译成字节码（bytecode），然后运行的时通过Java虚拟机（JVM）内嵌的解释器将字节码转换成最终的机器码，这就属于Java解释执行；
Java编译执行：当我们常见的JVM，比如Oracle JDK提供的Hotspot JVM，都提供了JIT(Just-In-Time)编译器，也就是通常所说的动态编译器，JIT能够在运行时将热点代码编译成机器码，这种情况下部分热点代码就属于编译执行。

在运行时，JVM会通过 类加载器（Class-Loader） 加载字节码，解释或者编译执行，就像前面提到的，主流Java版本中，如JDK8实际是解释和编译混合的一种模式，即所谓的混合模式（-Xmixed）。通过运行在server模式的JVM，会进行上万次调用以收集足够的信息进行高效的编译，client模式这个门限是1500次。Oracle Hotspot JVM 内置了两个不同的 JIT compiler，C1 对应前面说的 client 模式，适用于对于启动速度敏感的应用，比如普通Java应用；C2 对应server模式，他的优化是为长时运行的服务端应用设计的。默认是采用所谓的 分层编译（TieredCompilation）。

Java 虚拟机启动时，可以指定不同的参数对运行模式进行选择。
- 比如，指定“-Xint”，就是告诉 JVM 只进行解释执行，不对代码进行编译，这种模式抛弃了 JIT 可能带来的性能优势。毕竟解释器（interpreter）是逐条读入，逐条解释运行的。
- 与其相对应的，还有一个“-Xcomp”参数，这是告诉 JVM 关闭解释器，不要进行解释执行，或者叫作最大优化级别。那你可能会问这种模式是不是最高效啊？简单说，还真未必。“-Xcomp”会导致 JVM 启动变慢非常多，同时有些 JIT 编译器优化方式，比如分支预测，如果不进行 profiling，往往并不能进行有效优化。

除了我们日常最常见的 Java 使用模式，其实还有一种新的编译方式，即所谓的 AOT（Ahead-of-Time Compilation） ，直接将字节码编译成机器代码，这样就避免了 JIT 预热等各方面的开销，比如 Oracle JDK 9 就引入了实验性的 AOT 特性，并且增加了新的 jaotc 工具。利用下面的命令把某个类或者某个模块编译成为 AOT 库。（也就是可以直接把java代码编译成机器代码运行）

1 2	jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class jaotc --output libjava.base.so --module java.base

然后，在启动时直接指定就可以了。

1	java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld

而且，Oracle JDK 支持分层编译和 AOT 协作使用，这两者并不是二选一的关系。如果你有兴趣，可以参考相关文档：http://openjdk.java.net/jeps/295。AOT 也不仅仅是只有这一种方式，业界早就有第三方工具（如 GCJ、Excelsior JET）提供相关功能。

知识扩展

对于 Java 平台的理解，可以从很多方面简明扼要地谈一下，
- 例如：Java 语言特性，包括泛型、Lambda 等语言特性；基础类库，包括集合、IO/NIO、网络、并发、安全等基础类库。
- 对于我们日常工作应用较多的类库，面试前可以系统化总结一下，有助于临场发挥。
或者谈谈 JVM 的一些基础概念和机制，比如 Java 的类加载机制，常用版本 JDK（如 JDK 8）内嵌的 Class-Loader，例如 Bootstrap、 Application 和 Extension Class-loader；
- 类加载大致过程：加载、验证、链接、初始化（这里参考了周志明的《深入理解 Java 虚拟机》，非常棒的 JVM 上手书籍）；自定义 Class-Loader 等。
- 还有垃圾收集的基本原理，最常见的垃圾收集器，如 SerialGC、Parallel GC、 CMS、 G1 等，对于适用于什么样的工作负载最好也心里有数。
当然还有 JDK 包含哪些工具或者 Java 领域内其他工具等，如编译器、运行时环境、安全工具、诊断和监控工具等。这些基本工具是日常工作效率的保证，对于我们工作在其他语言平台上，同样有所帮助，很多都是触类旁通的。

下图是总结的一个相对宽泛的蓝图提供参考。