第 1 章一 JVM 和 Java 体系架构 (虚拟机介绍、字节码、Java跨平台性)

╰半夏微凉° 2022-12-28 06:57 92阅读 0赞

# 第 1 章 JVM 和 Java 体系架构 #

## 1、JVM 前言 ##

*  作为Java工程师, 你是否也遇到过这些问题？

1.  运行着的线上系统突然卡死，系统无法访问，甚至直接`OOM`！
2.  想解决线上`JVM GC问题`，但却无从下手。
3.  新项目上线，对各种`JVM参数设置`一脸茫然，直接默认吧然后就GG了
4.  每次面试之前都要重新背一遍JVM的一些原理概念性的东西，然而面试官却经常问你在实际项目中如何调优VM参数，如何解决GC、OOM等问题，一脸懵逼。  
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## 2、开发人员的病态 ##

*  大部分Java开发人员，除了会在项目中使用到与Java平台相关的各种高精尖技术，对于Java技术的核心Java虚拟机了解甚少。
 *  一些有一定工作经验的开发人员，打心眼儿里觉得**SSM、微服务**等上层技术才是重点，基础技术并不重要，这其实是一种本末倒置的“病态”。如果我们把核心类库的API比做数学公式的话，那么**Java虚拟机的知识就好比公式的推导过程**。
 *  计算机系统体系对我们来说越来越远，在不了解底层实现方式的前提下，通过高级语言很容易编写程序代码。但事实上计算机并不认识高级语言。  
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## 3、Java架构师每天都在思考什么? ##

*  应该如何让我的**系统更快**？
 *  如何**避免系统出现瓶颈**？

**知乎上有条帖子：应该如何看招聘信息，直通年薪50万+？**

1.  参与现有系统的**性能优化，重构，保证平台性能和稳定性**
2.  根据业务场景和需求，**决定技术方向，做技术选型**
3.  能够**独立架构和设计海量数据下高并发分布式解决方案**，满足功能和非功能需求
4.  解决**各类潜在系统风险，核心功能的架构与代码编写**
5.  分析**系统瓶颈，解决各种疑难杂症，性能调优**等

## 4、为什么学习 JVM ? ##

1.  `面试`的需要（BATJ、TMD，PKQ等面试都爱问）
2.  中高级程序员必备技能：`项目管理、调优的需求`
3.  追求极客的精神，比如：`垃圾回收算法、JIT（即时编译器）、底层原理`

## 5、Java 对比 C++ ##

1.  `垃圾收集机制`为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了开发的效率，但是，垃圾收集也不是万能的，懂得JVM内部的内存结构、工作机制，是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础，也是Java工程师进阶的必备能力。
2.  **C语言**需要自己来**分配内存和回收内存**，**Java**全部交给**JVM进行分配和回收**。  
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## 6、参考书籍 ##

**英文文档规范**：https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html

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**中文书籍：**

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## 7、内存与垃圾回收篇的课程章节 ##

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## 8、Java 生态圈 ##

*  Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java以及Java社区的不断壮大Java 也早已不再是简简单单的一门计算机语言了，它更是一个平台、一种文化、一个社区。

1.  作为一个`平台`，`Java虚拟机`扮演着举足轻重的作用
    
     *  **Groovy、Scala、JRuby、Kotlin**等都是Java平台的一部分
2.  作为一种`文化`，Java几乎成为了“开源”的代名词。
    
     *  第三方开源软件和框架。如**Tomcat、Struts，MyBatis，Spring**等。
     *  就连JDK和JVM自身也有不少开源的实现，如openJDK、Harmony。
3.  作为一个`社区`，Java拥有全世界最多的技术拥护者和开源社区支持，有数不清的论坛和资料。从桌面应用软件、嵌入式开发到企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到Java的身影。其应用形式之复杂、参与人数之众多也令人咋舌。

## 9、Java的跨平台性 `(重点)` ##

1.  每个`Java程序`都需要转换成`字节码文件`，最后转换的**字节码文件**都能`通过Java虚拟机进行运行和处理`
2.  随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过**JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序**。
3.  Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用**何种编程语言编写**的，它只关心“字节码”文件。也就是说**Java虚拟机拥有语言无关性**，并不会单纯地与Java语言“终身绑定”，`只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行`。

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## 10、字节码 `(重点)` ##

1.  我们平时说的`Java字节码`，指的是用`Java语言编译成的字节码`。准确的说**任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为：jvm字节码。**
2.  不同的编译器，可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的JVM上运行。
3.  `Java虚拟机`与`Java语言`并**没有必然的联系**，**JVM只与特定的二进制文件格式——Class文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集（或者称为字节码、Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。**

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## 11、多语言混合编程 ##

1.  Java平台上的`多语言混合编程`正成为`主流`，通过**特定领域的语言去解决特定领域的问题**是当前软件开发应对日趋复杂的项目需求的一个方向。
2.  试想一下，在一个项目之中，并行处理用Clojure语言编写，展示层使用JRuby/Rails，中间层则是Java，每个应用层都将使用不同的编程语言来完成，而且，接口对每一层的开发者都是透明的，各种语言之间的交互不存在任何困难，就像使用自己语言的原生API一样方便，**因为它们生成的字节码都可以运行在一个虚拟机之上。**
3.  对这些运行于Java虚拟机之上、Java之外的语言，来自系统级的、底层的支持正在迅速增强，以`JSR-292`为核心的一系列项目和功能改进（如DaVinci Machine项目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等），**推动Java虚拟机从“Java语言的虚拟机”向 “多语言虚拟机”的方向发展。**

## 12、Java 重大事件 ##

*  1990年，在Sun计算机公司中，由Patrick Naughton、MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team，开发出的新的程序语言，命名为Oak，后期命名为Java
 *  1995年，Sun正式发布Java和HotJava产品，Java首次公开亮相。
 *  1996年1月23日Sun Microsystems发布了JDK 1.0。
 *  1998年，JDK1.2版本发布。同时，Sun发布了JSP/Servlet、`EJB规范(太笨重, 后来被Spring取代)`，以及将Java分成了J2EE、J2SE和J2ME。这表明了Java开始向企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。
 *  2000年，JDK1.3发布，**Java HotSpot Virtual Machine**正式发布，成为`Java的默认虚拟机`。
 *  2002年，JDK1.4发布，古老的Classic虚拟机退出历史舞台。
 *  2003年年底，Java平台的scala正式发布，同年Groovy也加入了Java阵营。
 *  2004年，JDK1.5发布。同时JDK1.5改名为JavaSE5.0。
 *  2006年，JDK6发布。同年，`Java开源并建立了OpenJDK`。顺理成章，Hotspot虚拟机也成为了OpenJDK中的默认虚拟机。
 *  2007年，Java平台迎来了新伙伴Clojure。
 *  2008年，oracle收购了BEA，得到了`JRockit虚拟机(号称世界上最快的JVM)`。
 *  2009年，Twitter宣布把后台大部分程序从Ruby迁移到Scala，这是Java平台的又一次大规模应用。
 *  2010年，**Oracle收购了Sun，获得Java商标和最真价值的HotSpot虚拟机**。此时，Oracle拥有市场占用率最高的两款虚拟机`HotSpot`和`JRockit`，并计划在未来对它们进行整合：HotRockit
 *  2011年，`JDK7`发布。`在JDK1.7u4中，正式启用了新的垃圾回收器G1`。
 *  2017年，`JDK9`发布。`将G1设置为默认GC，替代CMS垃圾回收器`
    
     *  同年，IBM的J9开源，形成了现在的Open J9社区
 *  2018年，Android的Java侵权案判决，Google赔偿Oracle计88亿美元
    
     *  同年，Oracle宣告JavagE成为历史名词JDBC、JMS、Servlet赠予Eclipse基金会
     *  同年，`JDK11发布`，LTS版本的JDK，发布`革命性的ZGC(低延迟, 高吞吐的垃圾回收器(目前最强大的的GC, 还在测试环境下))`，调整JDK授权许可
 *  2019年，JDK12发布，加入**RedHat领导开发**的`Shenandoah GC`. `(OpenJDK中加入了Shenandoah GC)`  
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## 13、虚拟机介绍 `(重点)` ##

### 13.1、虚拟机概念 ###

*  所谓`虚拟机（Virtual Machine）`，就是一台`虚拟的计算机`。它是一款`软件`，`用来执行一系列虚拟计算机指令`。大体上，虚拟机可以分为**系统虚拟机**和**程序虚拟机**。

1.  大名鼎鼎的**Virtual Box**，**VMware**就属于**系统虚拟机**，它们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个`可运行完整操作系统`的软件平台。
2.  **程序虚拟机**的典型代表就是`Java虚拟机`，它专门为**执行单个计算机程序而设计**，`在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令`。
3.  无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

### 13.2、Java 虚拟机 ###

1.  `Java虚拟机`是一台`执行Java字节码`的`虚拟计算机`，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成。
2.  JVM平台的各种语言可以共享**Java虚拟机**带来的`跨平台性、优秀的垃圾回器，以及可靠的即时编译器。`
3.  Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为`所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。`
4.  Java虚拟机就是**二进制字节码**的运行环境，负责**装载字节码**到其内部，**解释/编译为对应平台上的机器指令执行**。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。

**特点：**

*  `一次编译，到处运行`
 *  `自动内存管理`
 *  `自动垃圾回收功能`

## 14、JVM 的位置 ##

*  **JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互**  
    ![image-20200727123432082][]  
    **Java的体系结构**

![image-20200727123511501][]

## 15、Java 的整体结构 `(重点)` ##

1.  `HotSpot VM`是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一 **(目前使用最多, 根正苗红的虚拟机)**。
2.  它采用**解释器与即时编译器并存的架构**。
3.  在今天，Java程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。
4.  **`执行引擎包含三部分：解释器，即时编译器，垃圾回收器`**

![image-20200727132330682][]

## 16、Java 代码执行流程 `(重点)` ##

*  凡是能生成被`Java虚拟机`所能`解释、运行的字节码文件`，那么理论上我们就可以自己设计一套语言了  
    ![image-20200727132339246][]

## 17、JVM 架构模型 `(了解)` ##

*  **Java编译器输入的指令流基本上是一种基于`栈的指令集架构`**，另外一种指令集架构则是基于`寄存器的指令集架构`。具体来说：这两种架构之间的区别：

### 17.1、基于栈的指令集架构 ###

*  **基于栈式架构的特点：**

1.  设计和实现更简单，适用于资源受限的系统；
2.  **避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配**
3.  指令流中的`指令大部分是零地址指令`，其执行过程依赖于`操作数栈`。**指令集更小，编译器容易实现**
4.  **不需要硬件支持，`可移植性更好，更好实现跨平台`**

### 17.2、基于寄存器的指令级架构 ###

*  **基于寄存器架构的特点：**

1.  典型的应用是x86的二进制指令集：比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机。
2.  **指令集架构则完全依赖硬件，`与硬件的耦合度高，可移植性差`**
3.  性能优秀和执行更高效
4.  花费更少的指令去完成一项操作
5.  在大部分情况下，**基于寄存器架构的指令集往往都以`一地址指令、二地址指令和三地址指`令为主**，而基于**栈式架构的指令集却是以零地址指令为主**。

### 17.3、两种架构的举例 ###

*  同样`执行2+3`这种逻辑操作，其指令分别如下：
 *  **基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：**

iconst_2 // 将整数2压入操作数栈
    istore_1 // 把栈顶的内容放入局部变量表中索引为 1 的 slot 中
    iconst_3 // 将整数3压入操作数栈
    istore_2 // 把栈顶的内容放入局部变量表中索引为 2 的 slot 中
    iload_1  // 把局部变量表索引为 1 的 slot 中存放的变量值 加载至操作数栈
    iload_2  // 把局部变量表索引为 2 的 slot 中存放的变量值 加载至操作数栈
    iadd	 // 栈顶的两个数出栈后相加，结果入栈
    istore_0 // 把栈顶的内容放入局部变量表中索引为 0 的 slot 中
    return   // 方法返回指令，回到调用点

*  **而基于寄存器的计算流程**

mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
    add eax,3 //使eax寄存器的值加3
    12

### 17.4、如何反编译字节码文件 ###

*  编写 java 代码，编译生成字节码文件

public class StackStruTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            int i = 2;
            int j = 3;
            int k = i + j;
        }
    }

*  在 .class 文件的同级目录下，执行反编译`javap -v StackStruTest.class`

![image-20200727131130075][]

javap -v StackStruTest.class

*  `反编译得到的指令`

public static void main(java.lang.String[]);
       descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
       flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
       Code:
         stack=2, locals=4, args_size=1
            0: iconst_2	// 将常量 2 压入栈中
            1: istore_1	// 将常量 2 保存至变量 i 中
            2: iconst_3	// 将常量 3 压入栈中
            3: istore_2	// 将常量 3 保存至变量 j 中
            4: iload_1		// 加载变量 i
            5: iload_2		// 加载变量 j
            6: iadd		// 执行累加操作
            7: istore_3	// 加法结果保存在变量 k 中
            8: return
         LineNumberTable:
           line 10: 0
           line 11: 2
           line 12: 4
           line 22: 8
         LocalVariableTable:
           Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
               2       7     1     i   I
               4       5     2     j   I
               8       1     3     k   I
    }

### 17.5、JVM 架构总结 ###

1.  **由于`跨平台性的设计`，Java的指令都是根据`栈`来设计的**。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。**`优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令`**
2.  时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpot VM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？
3.  因为`基于栈的架构跨平台性好、指令集小`，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但`考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构`

## 18、JVM 生命周期 ##

### 18.1、虚拟机的启动 ###

*  **Java虚拟机的启动是通过`引导类加载器（bootstrap class loader）`创建一个初始类（initial class）来完成的**，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

### 18.2、虚拟机的执行 ###

*  执行Java程序

1.  一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：`执行Java程序`
2.  程序开始执行时它才运行，程序结束时它就停止
3.  **执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做`Java虚拟机的进程`**

### 18.3、虚拟机的退出 ###

**有如下的几种情况：**

1.  `程序正常执行结束`
2.  程序在执行过程中`遇到了异常或错误`而异常终止
3.  由于`操作系统出现错误`而导致Java虚拟机进程终止
4.  某`线程调用Runtime类或System类的exit()方法，或Runtime类的halt()方法，并且Java安全管理器也允许这次exit()或halt()操作`。
5.  除此之外，`JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载 Java虚拟机时`，Java虚拟机的退出情况。

### 28.4、查看虚拟机进程 ###

*  代码

public class StackStruTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            int i = 2;
            int j = 3;
            int k = i + j;
    
            try { 
                Thread.sleep(6000);
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("hello");
        }
    }

*  程序在运行的时候，使用 **jps** 指令查看当前正在运行的进程，图中 23756 为进程所占用的端口号  
    ![image-20200727142709163][]
 *  StackStruTest 进行执行完毕，就查看不到了  
    ![image-20200727142726466][]

### 18.5、exit() 方法源码 `(了解)` ###

> **Runtime 类源码分析**

*  `Runtime(单例) 对象全局唯一`，对应着下图中的【运行时数据区】

![image-20200727132330682][]

*  明显的`饿汉单例设计模式`：一上来就 new 了一个 Runtime 类的实例，并且将 **Runtime 类的构造器私有化**

public class Runtime { 
        private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    
        /** * Returns the runtime object associated with the current Java application. * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance * methods and must be invoked with respect to the current runtime object. * * @return the <code>Runtime</code> object associated with the current * Java application. */
        public static Runtime getRuntime() { 
            return currentRuntime;
        }
    
        /** Don't let anyone else instantiate this class */
        private Runtime() { }

*  **Runtime 类的 exit() 方法调用了 ShutDown 类的 exit() 方法**

public void exit(int status) { 
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) { 
            security.checkExit(status);
        }
        Shutdown.exit(status);
    }

> **ShutDown 类源码分析**

*  `exit() 方法`会调用到本地方法 runAllFinalizers() 和`halt0()`

static void exit(int status) { 
        boolean runMoreFinalizers = false;
        synchronized (lock) { 
            if (status != 0) runFinalizersOnExit = false;
            switch (state) { 
                case RUNNING:       /* Initiate shutdown */
                    state = HOOKS;
                    break;
                case HOOKS:         /* Stall and halt */
                    break;
                case FINALIZERS:
                    if (status != 0) { 
                        /* Halt immediately on nonzero status */
                        halt(status);
                    } else { 
                        /* Compatibility with old behavior: * Run more finalizers and then halt */
                        runMoreFinalizers = runFinalizersOnExit;
                    }
                    break;
            }
        }
        if (runMoreFinalizers) { 
            runAllFinalizers();
            halt(status);
        }
        synchronized (Shutdown.class) { 
            /* Synchronize on the class object, causing any other thread * that attempts to initiate shutdown to stall indefinitely */
            sequence();
            halt(status);
        }
    }
    
    static void halt(int status) { 
        synchronized (haltLock) { 
            halt0(status);
        }
    }
    
    static native void halt0(int status);
    
    /* Wormhole for invoking java.lang.ref.Finalizer.runAllFinalizers */
    private static native void runAllFinalizers();

> **System 类源码分析**

*  System.exit() 方法调用了 Runtime.exit() 方法

public static void exit(int status) { 
        Runtime.getRuntime().exit(status);
    }

> **总结**

*  调用`System.exit()` 方法 --> 调用 `Runtime.exit()` 方法
 *  调用`Runtime.exit()` 方法 --> 调用了 `ShutDown.exit()` 方法

## 19、JVM 发展历程 ##

### 19.1、HotSpot VM `(了解)` ###

1.  HotSpot历史
    
     *  最初由一家名为“Longview Technologies”的小公司设计
     *  1997年，此公司被Sun收购；2009年，Sun公司被甲骨文收购。
     *  JDK1.3时，HotSpot VM成为默认虚拟机
2.  目前**Hotspot占有绝对的市场地位**，称霸武林。
    
     *  不管是现在仍在广泛使用的JDK6，还是使用比例较多的JDK8中，`默认的虚拟机都是HotSpot`
     *  Sun/oracle JDK和openJDK的默认虚拟机
     *  因此本教程介绍的虚拟机都是HotSpot，`相关机制也主要是指HotSpot的GC机制`。（比如其他两个商用虚机都没有方法区的概念）
3.  从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。
4.  名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。
    
     *  通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换
     *  通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

### 19.2、JRockit ###

1.  专注于服务器端应用：它可以不太关注程序启动速度，因此JRockit内部不包含解析器实现，全部代码都靠即时编译器编译后执行。
2.  大量的行业基准测试显示，`JRockit JVM是世界上最快的JVM`：使用JRockit产品，客户已经体验到了显著的性能提高（一些超过了70%）和硬件成本的减少（达50%）。
3.  优势：**全面的Java运行时解决方案组合**
    
     *  JRockit面向延迟敏感型应用的解决方案JRockit Real Time提供以毫秒或微秒级的JVM响应时间，适合财务、军事指挥、电信网络的需要
     *  Mission Control服务套件，它是一组以极低的开销来监控、管理和分析生产环境中的应用程序的工具。
4.  2008年，JRockit被Oracle收购。
5.  Oracle表达了整合两大优秀虚拟机的工作，大致在JDK8中完成。整合的方式是在HotSpot的基础上，移植JRockit的优秀特性。
6.  高斯林：目前就职于谷歌，研究人工智能和水下机器人

### 19.3、IBM的J9 ###

1.  全称：IBM Technology for Java Virtual Machine，简称IT4J，内部代号：J9
2.  市场定位与HotSpot接近，服务器端、桌面应用、嵌入式等多用途VM广泛用于IBM的各种Java产品。
3.  目前，`有影响力的三大商用虚拟机之一，也号称是世界上最快的Java虚拟机`。
4.  2017年左右，IBM发布了开源J9VM，命名为openJ9，交给Eclipse基金会管理，也称为Eclipse OpenJ9
5.  OpenJDK -> 是JDK开源了，包括了虚拟机

### 19.4、Taobao JVM ###

1.  由`AliJVM团队`发布。**阿里，国内使用Java最强大的公司，覆盖云计算、金融、物流、电商等众多领域，需要解决高并发、高可用、分布式的复合问题**。有大量的开源产品。
2.  基于OpenJDK开发了自己的定制版本AlibabaJDK，简称AJDK。是整个阿里Java体系的基石。
3.  基于OpenJDK Hotspot VM发布的国内第一个优化、深度定制且开源的高性能服务器版Java虚拟机。
    
     *  创新的GCIH（GCinvisible heap）技术实现了off-heap，即将生命周期较长的Java对象从heap中移到heap之外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。
     *  GCIH中的对象还能够在多个Java虚拟机进程中实现共享
     *  使用crc32指令实现JvM intrinsic降低JNI的调用开销
     *  PMU hardware的Java profiling tool和诊断协助功能
     *  针对大数据场景的ZenGC
4.  taobao vm应用在阿里产品上性能高，硬件严重依赖inte1的cpu，损失了兼容性，但提高了性能
5.  目前已经在淘宝、天猫上线，把Oracle官方JVM版本全部替换了。

### 19.5、总结 ###

*  具体JVM的内存结构，其实取决于其实现，不同厂商的JVM，或者同一厂商发布的不同版本，都有可能存在一定差异。`主要以Oracle HotSpot VM为默认虚拟机。`

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