【朝花夕拾】Android性能篇之（一）序言及JVM[通俗易懂]

前言

        原文：【朝花夕拾】Android性能篇之（一）序言及JVM

       笔者从事Anroid开发有些年头了，深知掌握Anroid性能优化方面的知识的必要性，这是一个程序员必须修炼的内功。在面试中，它是面试官的挚爱，在工作中，它是代码质量的拦路虎，其重要性可见一斑。在团队中，性能优化的工作又往往由经验丰富的老师傅来完成，可见要做好性能优化，绝不是一件容易的事情。

       性能优化方面涉及的知识点比较广，有理论基础知识，也有实际操作技能，笔者将通过一系列的文章来进行整理，将主要包括Java虚拟机、内存分配、垃圾回收，android虚拟机、进程管理、内存优化、内存泄漏，常用内存分析及优化工具介绍等。由于笔者水平和经验有限，也是在边研究边整理，有不当之处，请不吝赐教。

        当前系列内容已完成如下篇章：

      【朝花夕拾】Android性能篇之（一）序言及JVM

      【朝花夕拾】Android性能篇之（二）Java内存分配

      【朝花夕拾】Android性能篇之（三）Java内存回收

      【朝花夕拾】Android性能篇之（四）Apk打包

      【朝花夕拾】Android性能篇之（五）Android虚拟机

      【朝花夕拾】Android性能篇之（六）Android进程管理机制

前言

        之所以第一篇要先介绍JVM，是因为当前Android开发的主流语言是java，而JVM又是java程序进程生命诞生的地方。JVM就像盘古一样开天辟地，在机器上开辟了一个虚拟的空间，然后才有了java生存的土壤。JVM也是中高级程序员，架构师，系统调优师等职位所必须要了解甚至深入掌握的知识点。当然，本系列的重点是内存及性能上的优化，所以本文只对JVM做一定概略性的讲解，不做太深入的研究。本文主要内容如下：

一、什么是JVM？

       咱们这里借鉴百度百科的解释：

       JVM是Java Virtual Machine 的缩写，即Java虚拟机，它是一种用于计算设备的规范，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现，可以简单理解为，它是一个在实际计算机中虚构出来的寄生计算机。Java源文件经过编译器编译成.class文件（字节码文件）后，由JVM来执行。JVM拥有一套支持java字节码文件(.class文件)执行的环境，可以将.class文件解释成具体平台上的机器指令并执行。Java程序只需要生成.class文件，即可以在任何装有JVM的设备上运行，而不需要理会具体操作系统平台相关的信息。此时的JVM就像一个翻译官一样连接连接着.class文件和系统平台。Java的这个特性叫做平台无关性，实现了“一次编译，到处运行”，JVM就是实现Java这个功能的大功臣。

二、JDK,JRE,JVM是什么关系？

       如下截图为JDK安装包结构

  1、JDK

      Java Development Kit 的缩写，即 Java开发工具包，提供了开发java程序所需要的基本条件。在上图JDK安装包截图的红色边框中

• bin：最主要包含了编辑器javac.exe，功能是将java源文件编译为.class文件。
• include：包含了Java和JVM交互用的头文件。
• lib：包含了java开发所需的类库。
• jre：为Java运行环境。

  2、JRE

       Java Runtime Environment的缩写，即Java运行环境，下图为JRE文件夹的内容。注意，JRE是运行环境，而不是开发环境。

• bin：可以理解为JVM，其中javaw.exe或java.exe用于执行.class文件。
• lib：提供了JVM执行所需要的库。

  3、JVM

        执行.class文件。

  4、结论

        这三者的关系可以通过下图(摘自某网站)来理解：JDK包含了JRE,JRE又包含了JVM(对于比较懒得童鞋，可以先记住这个结论)。图中提到的Java开发工具，集成有类库和编译工具，只需关联jre即可。                

三、JVM的工作

  1、Java文件执行流程图

       下图显示了JVM在java程序工作流中的位置，可以结合前面的内容来看。

  2、JVM实际工作内容

      实际上JVM的执行过程中，主要做了三个工作：

    （1）加载并执行.class文件；

    （2）管理并分配内存（推荐阅读：【朝花夕拾】Android性能篇之（二）Java内存分配）；

    （3）执行垃圾回收（推荐阅读：【朝花夕拾】Android性能篇之（三）Java内存回收）。

四、JVM生命周期

       一个JVM实例对应一个独立运行的Java程序，是属于进程级别的，也有自己的生命周期：

  1、启动

        当启动一个Java程序的时候，就产生了一个JVM实例。我们还记得Java的入口函数 public static void main(String[] args)吗？每个拥有该函数的.class都可以作为JVM实例运行的起点。

  2、运行

        main()作为起点，启动主线程，其他任何线程都在该线程中启动。JVM有两种线程：User Thread（用户线程）和Daemon Thread（守护线程：为用户线程服务的线程），main()线程为用户线程，而守护线程通常由JVM自己使用。

  3、消亡

        当程序中的所有用户线程都终止时，JVM才会退出，守护线程无线程需要服务了，也就跟着退出了历史的舞台。若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime或者System.exit()来退出。

五、JVM架构及工作原理

       上图更详细地展示了JVM的架构，由图可知，JVM主要是划分为三个子系统 ：（1）类加载器子系统 （2）运行时数据区 （3）执行引擎 和Java本地接口、本地方法库。

  1、类加载子系统(Class Loader SubSystem)

       Java的动态类加载功能由该子系统处理，当它在运行时（不是编译时）首次引用一个类时，它加载、链接并初始化该类文件(.class文件)。

    （1）加载(Loading)

        类的加载在此组件中完成，加载过程主要由下面三个加载器实现：

        1）启动类加载器(BootStrap class Loader)。负责从启动类路径中加载类，无非就是rt.jar。这个加载器会被赋予最高优先级。

        2）扩展类加载器(Extension class Loader)。负责加载ext目录(jre\lib)内的类。

        3）应用程序类加载器(Application class Loader)。负责加载应用程序级别类路径，涉及到路径的环境变量等。

        这三个类加载器会遵循委托层次算法(Delegation Hierarchy Algorithm)加载类文件。

    （2）链接(Linking)

        该过程主要完成以下三个步骤：

        1）校验(Verify)。字节码校验器会校验生成的字节码是否正确，如果校验失败，我们会得到校验错误。

        2）准备(Prepare)。分配内存并初始化默认值给所有的静态变量。

        3）解析(Resolve)。所有符号内存引用被方法区（Method Area）的原始引用所替代。

    （3）初始化(Initialization)

       这是类加载的最后阶段，这里所有的静态变量会赋初始值，并且静态块将被执行。

  2、运行时数据区(Runtime Data Area)

       该部分将在后续的文章（【朝花夕拾】Android性能篇之（二）Java内存分配）中详细讲述，这里不做赘述。

  3、执行引擎(Execution Engine)。

        分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行，执行引擎读取字节码并逐段执行。它包含了如下三个部分：解释器、编译器、垃圾回收器。

    （1）解释器(interpreter)。

        解释器能够快速地解释字节码，但执行却很慢。它的一个缺点就是，当一个方法被调用多次，每次都需要重新解释。

    （2）JIT编译器。

        JIT编译器消除了解释器的缺点，执行引擎利用解释器转换字节码，但如果是重复的代码，则使用JIT编译器将全部字节码编译成本机代码，本机代码将直接用于重复的方法调用，这样提高了系统的性能。它的工作由下面4个工具协同完成：

        1）中间代码生成器。负责生成中间代码。

        2）代码优化器。负责优化上面生成的中间代码。

        3）目标代码生成器。负责生成机器代码或本机代码。

        4）探测器(Profiler)。一个特殊的组件，负责寻找被多次调用的方法。

    （3）垃圾回收器。

       搜集并删除未引用的对象。可以通过调用“System.gc()”来触发垃圾回收，但并不保证会确实进行垃圾回收。JVM的垃圾回收只收集那些由new关键字创建的对象。所以，如果不是用new创建的对象，你可以使用finalize函数来执行清理。

  4、Java本地接口(JNI,Native Method Interface)

       JNI会与本地方法库进行交互并提供执行引擎所需的本地库。

  5、本地方法库(Native Method Library)

      它是一个执行引擎的本地库集合。 

推荐阅读

       JVM工作原理和流程

       深入理解JVM

       JVM介绍

       JVM_百度百科

       最后推荐一本术，周志明著的《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践》，业内评价很高，口碑非常好。