Java、Python與PHP的虛擬機(jī)異同

Java、Python與PHP的虛擬機(jī)異同

Java-JVM

定義

  • JDK(Java Development Kit) 是 Java 語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）。JDK 物理存在，是 programming tools、JRE 和 JVM 的一個(gè)集合
  • JRE（Java Runtime Environment）Java 運(yùn)行時(shí)環(huán)境，JRE 物理存在，主要由Java API 和 JVM 組成，提供了用于執(zhí)行 java 應(yīng)用程序最低要求的環(huán)境。
  • JVM(Java Virtual Machine) 是一種軟件實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行像物理機(jī)程序的機(jī)器（即電腦）。JVM 通過(guò)執(zhí)行 Java bytecode 可以使 java 代碼在不改變的情況下運(yùn)行在各種硬件之上。JVM是基于棧的。

JVM 執(zhí)行

  • 加載代碼
  • 驗(yàn)證代碼
  • 執(zhí)行代碼
  • 提供運(yùn)行環(huán)境

JVM 生命周期

  • 啟動(dòng)：任何一個(gè)擁有main函數(shù)的class都可以作為JVM實(shí)例運(yùn)行的起點(diǎn)
  • 運(yùn)行：main函數(shù)為起點(diǎn)，程序中的其他線程均有它啟動(dòng)，包括daemon守護(hù)線程和non-daemon普通線程。daemon是JVM自己使用的線程比如GC線程，main方法的初始線程是non-daemon。
  • 消亡：所有線程終止時(shí)，JVM實(shí)例結(jié)束生命。

JVM結(jié)構(gòu)及內(nèi)存模型

名詞解釋?zhuān)?/p>

  • Class Loader：類(lèi)加載器負(fù)責(zé)加載程序中的類(lèi)型（類(lèi)和接口），并賦予唯一的名字。為什么使用雙親委托模型——ClassLoader 隔離問(wèn)題。
  • Execution Engine：執(zhí)行引擎。執(zhí)行引擎以指令為單位讀取 Java 字節(jié)碼。它就像一個(gè) CPU 一樣，一條一條地執(zhí)行機(jī)器指令。
  • Runtime Data Areas:：運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。
  • PS：想起面試的時(shí)候被問(wèn)到過(guò)這樣的問(wèn)題：你在使用java過(guò)程中是否遇到過(guò)OOM的情況？當(dāng)時(shí)一陣懵比。現(xiàn)在總結(jié)下：
    • PC寄存器（PC Register）是唯一一個(gè)在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。
    • JVM 棧（Java Virtual Machine Stack）：如果JVM Stack可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，但是在嘗試擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存去完成擴(kuò)展，或者在建立新的線程時(shí)沒(méi)有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)棧時(shí)拋出。
    • 本地方法棧(Native method stack)：如果本地方法棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，并且擴(kuò)展的動(dòng)作已經(jīng)嘗試過(guò)，但是目前無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存去完成擴(kuò)展，或者在建立新的線程時(shí)沒(méi)有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的本地方法棧，那Java虛擬機(jī)將會(huì)拋出一個(gè)OutOfMemoryError異常。
    • 方法區(qū)(Method area)：如果方法區(qū)的內(nèi)存空間不能滿(mǎn)足內(nèi)存分配請(qǐng)求，那Java虛擬機(jī)將拋出一個(gè)OutOfMemoryError異常。
    • 運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime constant pool)：當(dāng)創(chuàng)建類(lèi)和接口時(shí)，如果構(gòu)造運(yùn)行時(shí)常量池所需的內(nèi)存空間超過(guò)了方法區(qū)所能提供的最大內(nèi)存空間后就會(huì)拋出OutOfMemoryError
    • 堆(Heap)：如果實(shí)際所需的堆超過(guò)了自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)能提供的最大容量時(shí)拋出。
    • 總結(jié)一下就是無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存以及超出最大容量?jī)煞矫嬖?/li>

垃圾回收

  • 新生代

    新生代由 Eden 與 Survivor Space（S0，S1）構(gòu)成，大小通過(guò)-Xmn參數(shù)指定，Eden 與 Survivor Space 的內(nèi)存大小比例默認(rèn)為8:1，可以通過(guò)-XX:SurvivorRatio 參數(shù)指定，比如新生代為10M 時(shí)，Eden分配8M，S0和S1各分配1M。

    Eden：希臘語(yǔ)，意思為伊甸園，在圣經(jīng)中，伊甸園含有樂(lè)園的意思，根據(jù)《舊約·創(chuàng)世紀(jì)》記載，上帝耶和華照自己的形像造了第一個(gè)男人亞當(dāng)，再用亞當(dāng)?shù)囊粋€(gè)肋骨創(chuàng)造了一個(gè)女人夏娃，并安置他們住在了伊甸園。

    大多數(shù)情況下，對(duì)象在Eden中分配，當(dāng)Eden沒(méi)有足夠空間時(shí)，會(huì)觸發(fā)一次Minor GC，虛擬機(jī)提供了-XX:+PrintGCDetails參數(shù)，告訴虛擬機(jī)在發(fā)生垃圾回收時(shí)打印內(nèi)存回收日志。

    Survivor：意思為幸存者，是新生代和老年代的緩沖區(qū)域。
    當(dāng)新生代發(fā)生GC（Minor GC）時(shí)，會(huì)將存活的對(duì)象移動(dòng)到S0內(nèi)存區(qū)域，并清空Eden區(qū)域，當(dāng)再次發(fā)生Minor GC時(shí)，將Eden和S0中存活的對(duì)象移動(dòng)到S1內(nèi)存區(qū)域。

    存活對(duì)象會(huì)反復(fù)在S0和S1之間移動(dòng)，當(dāng)對(duì)象從Eden移動(dòng)到Survivor或者在Survivor之間移動(dòng)時(shí)，對(duì)象的GC年齡自動(dòng)累加，當(dāng)GC年齡超過(guò)默認(rèn)閾值15時(shí)，會(huì)將該對(duì)象移動(dòng)到老年代，可以通過(guò)參數(shù)-XX:MaxTenuringThreshold 對(duì)GC年齡的閾值進(jìn)行設(shè)置。

  • 老年代

    老年代的空間大小即-Xmx 與-Xmn 兩個(gè)參數(shù)之差，用于存放經(jīng)過(guò)幾次Minor GC之后依舊存活的對(duì)象。當(dāng)老年代的空間不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)Major GC/Full GC，速度一般比Minor GC慢10倍以上。

  • 永久代

    在JDK8之前的HotSpot實(shí)現(xiàn)中，類(lèi)的元數(shù)據(jù)如方法數(shù)據(jù)、方法信息（字節(jié)碼，棧和變量大小）、運(yùn)行時(shí)常量池、已確定的符號(hào)引用和虛方法表等被保存在永久代中，32位默認(rèn)永久代的大小為64M，64位默認(rèn)為85M，可以通過(guò)參數(shù)-XX:MaxPermSize進(jìn)行設(shè)置，一旦類(lèi)的元數(shù)據(jù)超過(guò)了永久代大小，就會(huì)拋出OOM異常。

    虛擬機(jī)團(tuán)隊(duì)在JDK8的HotSpot中，把永久代從Java堆中移除了，并把類(lèi)的元數(shù)據(jù)直接保存在本地內(nèi)存區(qū)域（堆外內(nèi)存），稱(chēng)之為元空間。

    這樣做有什么好處？
    有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)永久代的調(diào)優(yōu)過(guò)程非常困難，永久代的大小很難確定，其中涉及到太多因素，如類(lèi)的總數(shù)、常量池大小和方法數(shù)量等，而且永久代的數(shù)據(jù)可能會(huì)隨著每一次Full GC而發(fā)生移動(dòng)。

    而在JDK8中，類(lèi)的元數(shù)據(jù)保存在本地內(nèi)存中，元空間的最大可分配空間就是系統(tǒng)可用內(nèi)存空間，可以避免永久代的內(nèi)存溢出問(wèn)題，不過(guò)需要監(jiān)控內(nèi)存的消耗情況，一旦發(fā)生內(nèi)存泄漏，會(huì)占用大量的本地內(nèi)存。

判斷垃圾回收

  1. 引用計(jì)數(shù)法：在對(duì)象上添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)對(duì)象引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)使用完該對(duì)象時(shí)，計(jì)數(shù)器減1，計(jì)數(shù)器值為0的對(duì)象表示不可能再被使用。引用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，判定高效，但不能解決對(duì)象之間相互引用的問(wèn)題。

  2. 可達(dá)性分析法：通過(guò)一系列稱(chēng)為 “GC Roots” 的對(duì)象作為起點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向下搜索，搜索路徑稱(chēng)為 “引用鏈”，以下對(duì)象可作為GC Roots：

    • 本地變量表中引用的對(duì)象
    • 方法區(qū)中靜態(tài)變量引用的對(duì)象
    • 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象
    • Native方法引用的對(duì)象

    當(dāng)一個(gè)對(duì)象到 GC Roots 沒(méi)有任何引用鏈時(shí)，意味著該對(duì)象可以被回收。

垃圾回收算法

  1. 標(biāo)記-清除算法
    對(duì)待回收的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記。
    算法缺點(diǎn)：效率問(wèn)題，標(biāo)記和清除過(guò)程效率都很低；空間問(wèn)題，收集之后會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，不利于大對(duì)象的分配。
  2. 復(fù)制算法
    復(fù)制算法將可用內(nèi)存劃分成大小相等的兩塊A和B，每次只使用其中一塊，當(dāng)A的內(nèi)存用完了，就把存活的對(duì)象復(fù)制到B，并清空A的內(nèi)存，不僅提高了標(biāo)記的效率，因?yàn)橹恍枰獦?biāo)記存活的對(duì)象，同時(shí)也避免了內(nèi)存碎片的問(wèn)題，代價(jià)是可用內(nèi)存縮小為原來(lái)的一半。
  3. 標(biāo)記-整理算法
    在老年代中，對(duì)象存活率較高，復(fù)制算法的效率很低。在標(biāo)記-整理算法中，標(biāo)記出所有存活的對(duì)象，并移動(dòng)到一端，然后直接清理邊界以外的內(nèi)存。

參考文章

  1. 清蒸 JVM （一）

  2. Java GC的那些事（上）

  3. Java GC的那些事（下）

Python

PVM

PVM是Python的運(yùn)行引擎。他通常表現(xiàn)為python系統(tǒng)的一部分。并且他是實(shí)際運(yùn)行腳本的組件。

編譯器：將源碼編譯成運(yùn)行在虛擬機(jī)上執(zhí)行的opcode(pyc文件)，pyc文件是在python虛擬機(jī)上執(zhí)行的一種跨平臺(tái)字節(jié)碼。

運(yùn)行時(shí)：虛擬機(jī)解釋器把opcode(pyc文件)解釋成具體機(jī)器的機(jī)器碼，執(zhí)行。

JVM與PVM

  • Java代碼從源程序到執(zhí)行，要經(jīng)過(guò)的過(guò)程是：編譯器(javac)把源代碼轉(zhuǎn)化為字節(jié)碼，然后解釋器（Java.exe）把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)理解的機(jī)器碼來(lái)執(zhí)行。其中編譯器和解釋器都是Java虛擬機(jī)（JVM）的一部分，由于針對(duì)不同的硬件與OS，Java解釋器有所不同，因此可以實(shí)現(xiàn)“一次編譯、到處執(zhí)行”。所以JVM是Java跨平臺(tái)特性的關(guān)鍵所在。
  • 對(duì)于Python，其源代碼到執(zhí)行也要經(jīng)過(guò)如下過(guò)程：源代碼--->字節(jié)碼--->機(jī)器碼。與Java不同的是，Python使用的虛擬機(jī)是基于其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，比如我們一般使用的Python實(shí)際為Cpython，也就是其虛擬機(jī)由C實(shí)現(xiàn)，這個(gè)虛擬機(jī)負(fù)責(zé)把Python源碼編譯為字節(jié)碼，再解釋執(zhí)行。另外，還有Jypython、Ironpython等。

PHP-Zend&HHVM

  • Zend引擎默認(rèn)做法，是先編譯為opcode，然后再逐條執(zhí)行，通常每條指令對(duì)應(yīng)的是C語(yǔ)言級(jí)別的函數(shù)。如果我們產(chǎn)生大量重復(fù)的opcode（純PHP寫(xiě)的代碼和函數(shù)），對(duì)應(yīng)的則是Zend多次逐條執(zhí)行這些C代碼。
  • HHVM生成和執(zhí)行PHP的中間字節(jié)碼（HHVM生成自己格式的中間字節(jié)碼），執(zhí)行時(shí)通過(guò)JIT（Just In Time，即時(shí)編譯是種軟件優(yōu)化技術(shù)，指在運(yùn)行時(shí)才會(huì)去編譯字節(jié)碼為機(jī)器碼）轉(zhuǎn)為機(jī)器碼執(zhí)行。JIT將大量重復(fù)執(zhí)行的字節(jié)碼在運(yùn)行的時(shí)候編譯為機(jī)器碼，達(dá)到提高執(zhí)行效率的目的。通常，觸發(fā)JIT的條件是代碼或者函數(shù)被多次重復(fù)調(diào)用。

寫(xiě)在最后

時(shí)間匆忙，囫圇吞棗，努力完善。

后端開(kāi)發(fā)離不開(kāi)Java，python和php，深入學(xué)習(xí)原理，比較異同，最佳使用。

2017.06.23

最后編輯于 ：
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