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Java本纪之Java虚拟机的10年

时间:10-05-22 栏目:系统技术篇 作者:鲁智森也有文化 评论:0 点击: 1,645 次

  Java虚拟机的起源与构造



  当我们说到
“Java”这个词的时候,指的是四个相互关联的概念:Java语言、Java API、Java
Class文件格式、Java虚拟机。整个Java体系是基于Java
虚拟机构造的,正因为如此,才能实现Java的安全性和网络移动性。Java并非是第一个采用“虚拟机”概念的体系,但却是第一个得到广泛运用的虚拟机平
台。 “虚拟”,是一种隔离物理资源与逻辑资源的手段。Java虚拟机的“虚拟”,则是用来隔离物理机器、底层操作系统与Java语言规范实现的手段。

 
 虽然Java是一种面向对象的语言,我们平时大量使用的,是对象间的多态、组合(Composition)、委派(Delegation),但当我们讨
论虚拟机的时候,我们看见的基本概念却是“栈(Stack)”和“堆(Heap)”。根据冯诺依曼的“存储计算”模型,所有的代码都保存在代码空间中,随
着程序计数器指针的变化进行程序的执行、跳转。Java虚拟机中没有寄存器的概念,方法调用是采用“栈”进行的,这是一种安全、简洁的方法。

 
 Java虚拟机通过类装载器支持对类的隔离,这也是Java实现安全性的基础。每个类都具有自己的命名空间,在具有不同安全级别的沙箱中运行,因此不会
产生低安全级别的代码来越权访问高级别代码的机会。类装载器的出现是Java虚拟机与大部分用C实现的虚拟机的显著不同之处。

  
Java虚拟机的另外一个显著特点就是实现了自动的垃圾收集。在往常,写程序的时候要牢记对象之间的关联,在每个程序块中假若申请了对象空间,就必须在出
口释放掉,方法调用往往同时也就是对象的边界。而自动垃圾收集带给开发者的最大好处,就是可以非常方便地从整体上把系统的对象组织成一张对象图,只需往这
张图中添加对象,维护对象之间的关联,却不需要自己做复杂的清扫工作。正是有了这种思维单纯的对象图的支持,OR
Mapping(关系数据库与对象映射)技术在最近得以大行其道,设计模式也更容易被Java群体所接受。

  虚拟机的优化


  1995年第一代的Java出台之时,其虚拟机执行是依靠“字节码解释器
(Byte Code
Interceptor)”的,也就是说每条指令都由虚拟机来当场解释执行,这造成速度令人抓狂地缓慢。更有甚者有人开始总结许多的“速度优化经验”,比
如说:“尽量把所有的代码都放在较大的方法中执行”与“少用接口”等等,这完全与Java语言的设计目的背道而驰,现在看起来是多么可笑的奇谈怪论,当时
却是很多程序员津津乐道的经验之谈。无他,Java本身执行太慢了。Java生命的前十分之三就是如此缓慢地渡过的。

  于是,Sun的
工程师开始拼命想着提高执行速度。JIT静态编译器的出现是在1996年十月,Sun放出了第一个编译器。JIT编译器在每段代码执行前进行编译,编译的
结果为本地静态机器码,执行速度有了质的提高。Symantec公司当时凭借其傲人的JIT编译器,在整个Java界受到热烈的追捧。在其后的1998
年,Java 1.2发布的时候,附带了JIT编译器,从此Java的使用者终于可以抛开上面说的那些奇怪的“速度优化经验”了。

  
JIT静态编译器虽然可以解决一些问题,但是性能仍然和C/C++有很大的差距。对一段程序而言,一名优秀的程序员是如何来改进运行速度的呢?首先,他不
会傻到把所有的代码都来优化,他会观察、思考到底哪段代码对整体性能影响最大?然后集中精力来优化这一段代码。按照经验,整个程序
10%-20%的代码,会占据
80%-90%的运行时间。用这种方法,在同样的时间、付出同样程度的努力后,这名优秀的程序员使整个程序的性能得到了很大程度的优化。HotSpot引
擎,就是模仿人工的这种方法进行优化的。在程序运行的开始,Java代码仍然解释执行,但HotSpot引擎开始进行采样(Profiling)。

 
 根据采样的结果,决定某段程序是占用较多运行时间的,就认为它是“HotSpot”,它也就是目前程序的瓶颈,
引擎开始启动一个单独的线程进行优化。因为不象原始的
JIT编译器那样无差别的编译所有代码,HotSpot引擎可以集中精力来对HotSpot代码进行深度优化,这样这部分代码执行起来更加迅捷。之前的静
态编译器只能按照预定的策略进行编译优化,而HotSpot引擎的优化是基于采样的结果的,因此这种方法对所有的应用程序都有效。1999年3月27
日,Sun放出了第一个HotSpot引擎。在随后的2000年5月的JDK
1.3中,包含了HotSopt引擎,这也使1.3成了一个具有里程碑意义的发行版本。到这里,Java的十年生命,已经过去了一半。

 
 HotSpot代表的是一种动态编译的技术。对Java这种大量使用委派、组合等面向对象特性的程序来说,动态编译比起静态编译来有显著的优势。比如
Method Inlining。方法的调用是一个很耗时的操作,假若可以把方法调用直接内嵌到调用者的代码中,就可以节省大量的时间,
这被称为“Method
Inlining”。因为涉及到类的重载,静态优化很难确切知道哪些属性、方法被重载,因此很难对method进行合并,只好在方法内部进行静态编译,假
若每个方法都很小,静态优化能起到的作用也就比较小。而动态编译因为可以完全随时掌握类的重载情况,就可以把相关的方法合并进行深度优化。现代的Java
程序,特别是在设计模式教育得到普及之后,大量使用类的继承、委派,形成了很多短小的方法,动态编译的优势就更加明显。

  自从出现了HotSpot之后,整个Java界为之一振。

 
 最近的五年,就是继续优化的五年。继续进行优化的方法有几条路,一是研究新的采样算法。因为采样关系到不同的优化策略,会对整体性能有比较大的影响。二
是研究深度优化的方法。三是研究垃圾收集的算法。垃圾收集会带来程序短暂的停顿,这会带来负面的用户体验。于是,如何提高垃圾收集的效率,减少延迟,出现
了五花八门的算法,比如渐进式收集、火车算法等。在多处理器的时候,如何利用多处理器进行并行收集也是研究的一个热点。这方面,BEA的JRocket走
在了前面。

  现实生活中的虚拟机


  最后,让我们来盘点一下目前市面上可见的各个虚拟机。

 
 首先要提到的,毫无疑问是Sun的虚拟机。作为大众心目中的“官方实现”,Sun拥有最大的用户群,并且拥有“兼容基准”的地位,其他虚拟机都必须要考
虑和Sun虚拟机的兼容性问题。比如
JRocket就会在某些特殊情况下表现出和Sun不同的特性,可能对程序运行有影响。不过Sun也的确没有让广大用户失望,虽然在早期性能比不上
Symantec,后来在1.2 的时候性能又被IBM超越,但Sun一直在努力革新,特别是 1.4.2之后,性能有了长足的进步。虽然JDK
1.5的虚拟机在性能上没有什么提高,但是增强了稳定性,据说修改了8000处bug,真是让人汗流不止。原来我们在1.4.2下面一直在享受这么多
bug啊。

  其次是老牌劲旅IBM。IBM的JDK在1.3的时代创下了最好的性能记录,从此树立了高端形象。特别是在其WebSphere产品中得到了很好的评价。其JDK也是最早支持64bit的JDK之一。到了现在,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。说到BEA突然在JVM领域一夜之间异军突起,多少让人有些瞠目,不过它采取的战略特别简单:自己没有,索性
花钱买了在此领域深有研究的JRocket,在前面加上BEA的标志就可以了。JRocket瞄准高端服务器市场,在多处理器环境下有不俗的表现。

 
 除此之外,还有几个开放源代码的JVM值得一提。首先就是大名鼎鼎的JikesRVM。说起其大名,大多数人都知道Jikes编译器是
IBM开发的,效率比同等的javac编译器高得多,很多开发者都使用Jikes编译器来取代javac。而JikesRVM则是IBM开源出来的一整套
虚拟机技术,包含了JIT,GC的完整实现,在其网站上也有众多的论文,实在是想要深入研究JVM者的绝佳资源(http://jikesrvm.sourceforge.net
)。

  Kaffe是一个老牌的JVM,不过现在已经很少听到了。www.kaffe.org
网站上有关于kaffe的更多信息。

  GNU则有两个计划:GCJ和GNU classpath。GNU classpath是一个底层实现,而GCJ是支持java的预编译器。

  结束语


  时光流转,轰轰烈烈的Java虚拟机性能争论仿佛还在耳边回响,现在新的争论却已经是“Java的性能是否已经超越C/C++”。

 
 Joakim Dahlstedt 是 JRockit 的主要架构设计师之一,他坚持认为,Java绝不是一种速度慢,效率低的语言,JVM
是一个关键的组件,确保了系统的部署与运行和开发一样快速、轻松。特别是在目前开发趋势是采用大量预制的框架时,动态编译有可能比C/C++这样的静态优
化获得更好的性能。

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