Java学习 - JVM, JDK, JRE

Java SE vs Java EE

简单来说，对比于Java，Java SE是Java的基础版本，包括了支持Java变成语言的基本功能和标准库，比如集合框架，IO，网络，并发等等。Java SE 适合用于小型或单机的应用程序，亦或者是控制台应用程序和工具（自动化脚本等）。而Java EE则是面向于开发复杂的企业级分布式应用，提供了面向企业级开发的扩展框架和API，比如Web服务、EJB、JPA等。Java EE适合用于企业级分布式应用，适用于具有多层架构系统和高并发，高可用性需求的大型应用程序。

由此，显然可以看出，Java EE对比Java SE是一个复杂得多的Java开发框架，因此，Java SE的应用场景和部署，配置难度对比起Java EE都简单许多。

JVM vs JDK vs JRE

从包含的角度来看，可以看成

$$JVM \subset JRE \sub JDK$$

JVM (Java Virtual Machine)， 顾名思义，就是Java虚拟机。JVM是实现让Java程序真正做到"Write Once, Run Everywhere"的功臣，其可以针对不同系统，使用相同的字节码和不同的实现方法，以得到相同的结果。

JRE (Java RunTime Environment)， 顾名思义，也就是Java运行环境。其中显然包含了虚拟机，也包含了一系列基本的内置类库，用与基本运行Java程序所需的环境和类库。

JDK (Java Development Kit)，顾名思义，也就是Java开发工具包，其中包含了JRE和JVM，并能够创建和编译Java程序(javac)。JDK拥有更多额外的工具，比如javadoc（文档生成器）、jdb（调试器）、jconsole（监控工具）、javap（反编译工具）等^[2]。

优化一下Java运行速度吧！

Java程序的运行逻辑基本上可以理解为：

graph LR

c1[编写.java文件] --javac编译--> c2[生成.class 字节码文件]
c2 --JVM解释器&JIT--> c3[机器码]
c3 --> 运行程序

在将.class文件转化为机器码的过程中，JVM类加载器首先会加载.class文件,然后通过解释器逐行解释执行。可以看出，这样子会比较慢。由于有些代码块会经常被调用，因此，不难想到可以将这些经常被用到的代码块的机器码保存下来，以节省大量的时间，这看起来就像是一种缓存的机制。

综上，Java引进了名为**JIT (Just In Time Compilation)**的编译器，使其在程序运行时进行动态的编译。其核心逻辑是，对于热点代码块，JIT会在完成第一次编译后将对应的机器码保存下来，以供下次直接使用。这时候我想到了一个问题：对于一个庞大的系统来说，JIT所带来的缓存量也会很大，也许会对内存带来很大的压力。我们应该如何处理这个问题？

JVM如何管理JIT缓存的内存^[1]

JVM 使用以下机制来管理 JIT 编译生成的本地代码及其缓存：

1. 代码缓存区（Code Cache）：
   • JVM 在内存中分配一个固定大小的区域，用于存储 JIT 编译后的本地机器码。
   • 代码缓存有容量限制，当缓存满时，JVM 会自动清理较老或较少使用的编译代码，以腾出空间给新的热点代码。
2. 分层编译（Tiered Compilation）：
   • JVM 会分阶段优化代码，减少不必要的内存占用。
     • 初始阶段：使用 C1 编译器快速生成基本的本地代码，占用内存少但优化程度较低。
     • 热点阶段：使用 C2 编译器对高频代码进行深度优化，占用更多内存，但执行效率更高。
   • 如果代码热点不再频繁使用，JVM 可能会将其标记为可清理对象。
3. 垃圾回收（GC）与代码缓存清理：
   • JVM 的垃圾回收机制不仅负责清理堆内存，还可以清理代码缓存中的无用代码。
   • 无效或不再使用的 JIT 编译代码会被标记并清理，以释放内存。

对于代码缓存，JVM提供了一些参数用来调整缓存区域的大小，或者是将代码块识别为热点代码所需的阈值:

• -XX:InitialCodeCacheSize: 代码缓存的初始大小
• -XX:ReservedCodeCacheSize: 代码缓存的最大大小
• -XX:CompileThreshold: 将代码识别为热点代码所需的调用次数阈值

Java包装类的缓存

包装类是对Java中基本类型的封装。一般来说，包装类的创建.valueOf(...)会占用内存，而对于一些常用的、小范围的数值（例如 0 到 127 的 Integer），频繁创建和销毁对象会导致较大的内存浪费。因此，在JDK5中引入了一个缓存机制，其会在类初始化时，提前创建好会被频繁使用的包装类对象。这种机制常见于 Integer、Byte、Short、Long 和 Character 等包装类，目的是为了优化内存的使用并提高性能。

注意：在构造函数中，不会使用缓存机制，比如：Integer a = new Integer(100);

自动装箱的过程会使用缓存，因为其底层代码是调用了封装类的valueOf()这个方法。

参考资料

1. 来自于GPT老师 ↩
2. Java Guide: 基础常见面试题总结（上） ↩