1.4　JVM概念

要有所作为，JVM开发人员必须熟悉下面这些最重要的JVM概念：

  • JVM是一种虚拟机；
  • JVM实现大都自带即时（just-in-time，JIT）编译器；
  • JVM提供了一些内置的基本类型；
  • 除基本类型之外的其他一切都是对象；
  • 对象是通过引用类型来访问的；
  • 垃圾收集器（garbage collector，GC）进程将过期的对象从内存中删除；
  • JVM大量地使用构建工具。

1.4.1　虚拟机

Java虚拟机是一种虚拟机，这一点显而易见，但必须牢记在心。这意味着从理论上说，在一种计算机上开发的应用程序，可在另一种计算机上运行。

一般而言，代码在32位还是64位的Java运行时环境（Java Runtime Environment，JRE）中运行无关紧要。在64位的运行时环境中运行时，应用程序可使用的内存可能更多，但只要应用程序不执行原生操作系统调用或需要数GB的内存，这种差别就无关紧要。

1.4　JVM概念 - 图1　在C等语言中，数据类型的长度取决于原生系统，而Java不存在这样的问题或特色（这是问题还是特色取决于你怎么看）。在JVM中，整型都是无符号的且长32位，而不管运行程序的是哪种计算机平台或系统架构。

最后，需要指出的是，在JVM中运行的每个应用程序都在系统内存中加载自己的JVM实例。这意味着同时运行多个Java应用程序时，每个应用程序都有自己的JVM副本；这还意味着在必要的情况下，不同的应用程序可使用不同的JVM版本。出于安全考虑，不建议在同一个系统中安装不同的JDK或JRE版本；通常最好只安装系统支持的最新版本。

1.4.2　JIT编译器

虽然没有规定，但所有流行的JVM实现都并非只有简单的解释器：除解释器外，它们还自带了复杂的JIT编译器。

启动Java应用程序时，将首先启动并初始化JVM。JVM启动并初始化后，它将立即开始解释并运行Java字节码。在合适的情况下，解释器将对程序的某些部分进行编译，再将原生可执行代码加载到内存中，并开始执行这些代码而不是经过解释后的Java字节码。这样生成的代码的执行速度通常要快得多。

对代码进行编译还是解释取决于很多因素。对于经常被调用的例程，JIT编译器很可能对其进行编译以生成原生代码。

1.4　JVM概念 - 图2　JIT方法的优点在于，分发的文件可以是跨平台的，且用户无需等待整个应用程序编译完毕。JVM初始化后，应用程序将立即开始执行，而优化是在幕后完成的。

1.4.3　基本数据类型

JVM提供了几个内置的基本数据类型，这是Java未被视为纯粹的OOP语言的主要原因。这些类型的变量不是对象，且始终都包含值。

Java名称 描述和长度 取值范围（含）
byte 有符号字节（8位） -128~127
short 有符号短整型（16位） -32768~32767
int 有符号整型（32位） -231~231-1
long 有符号长整型（64位） -263 ~263-1
float 单精度浮点数（32位） 不精确的浮点值
double 双精度浮点数（64位） 不精确的浮点值
char 单个Unicode UTF-16字符（16位） Unicode字符0~655535
boolean 布尔值 True/False

请注意，并非所有JVM语言都支持创建基本类型变量，并将其他一切都视为对象。你将看到，这通常不是问题，因为Java类库包含包装基本类型的包装对象，而包含Java在内的大多数语言都会在必要时自动使用这些包装对象。这个过程被称为自动装箱（auto-boxing）。

1.4.4　类

函数和变量都是在类中声明的。即便是应用程序的入口函数（在程序启动时调用的函数main()）也是在类中声明的。

JVM只支持单继承模型，即类最多继承一个类。这影响不大，因为使用了名为“接口”的结构来缓解这种影响，你将在下一章看到。接口基本上是一个函数原型（只有函数的定义，而没有代码）和常量列表，编译器要求实现了接口的类必须提供这些函数的实现。类可实现任意数量的接口，但必须提供这些接口定义的每个方法的实现。

1.4　JVM概念 - 图3　本书介绍的有些语言对开发人员隐藏了上述事实。例如，不同于Java，有些语言允许在类声明外面定义函数和变量，甚至允许可执行代码位于函数定义外面。还有些语言支持继承多个类。在内部，这些语言巧妙地规避了JVM的限制和设计决策。

JVM类通常以包的方式进行分组。在下一章，你将看到类是如何组织的。

1.4.5　引用类型

与大多数现代编程语言一样，JVM不直接操作指向对象的内存指针，而使用引用类型。引用变量要么指向特定的类实例，要么什么都不指向。

如果一个引用变量指向特定的对象，就可使用它来调用该对象的方法或访问其公有属性。

如果一个引用变量没指向任何东西，就被称为空引用（null reference）。使用空引用来调用方法或访问属性时，将在运行阶段引发错误。对于这个常见的问题，本书介绍的有些语言提供了解决方案。

引用和空引用

请看下面的代码：

  1. Product p = new Product();
  2. p.setName("Box of biscuits");

假设这里的Product是当前程序可使用的一个类。我们创建一个Product实例，并让变量p指向它。接下来，我们对这个对象实例调用方法setName。

JVM没有提供直接访问这个Product对象所在内存单元的途径，而只提供了指向该对象的引用。当你使用变量p时，JVM将确定为访问这个变量指向的对象，需要访问哪个内存单元。

我们在前述代码片段中添加如下代码行：

  1. p = null;
  2. p.setName("This line will produce an error at run-time");

可显式地将引用设置为null。请注意，对于在方法内声明的变量，并非必须这样做，因为方法结束时，将自动清理这些变量，但这样做也是完全合法的。现在变量p是一个空引用。下一段将介绍对象实例不再被任何引用变量指向后将发生的事情。

上述代码能够通过编译，但程序运行时，最后一行将引发NullPointerException异常。如果没有提供错误处理功能，应用程序将崩溃。很多现代IDE都力图发现这种情形，并向开发人员发出警告。

1.4.6　垃圾收集器

JVM不要求程序员在创建和销毁对象时手工分配和释放内存块。通常，程序员只需在需要时创建对象即可。

有一个名为GC的进程，它每隔一段时间让应用程序停止执行，并在内存中扫描不再在作用域内的对象（不能被任何对象访问的对象），再将这些对象从内存中删除，并收回释放的内存空间。

以前，这个进程会导致严重的性能问题，但它使用的算法已得到极大的改进。另外，根据应用程序的需求，系统管理员可配置GC的众多参数，以更好地控制它。

开发人员应始终牢记GC算法。如果你不断地创建大量的对象，并确保它们位于作用域内（即让所有这些对象都是可访问的，如将它们存储在应用程序可访问的列表中），那么迟早会导致内存耗尽，进而引发错误。

示例

假设你为一个在线商店开发了一个电子商务应用程序，同时假设每位已登录的用户都有一个ShoppingBasket实例，其中存储了该用户已加入到购物车中的商品。

现在假设今天有一位已登录的用户，他打算购买一块香皂和一盒饼干。对于这位用户，应用程序将创建两个Product实例（每件商品一个），并将它们添加到ShoppingBasket的products列表中，如下图所示。

1.4　JVM概念 - 图4

结账前，这位用户发现Amazon也有这样的饼干，但价格低得多，因此决定将其从购物车中删除。从技术上说，应用程序将从products列表中删除相应的Product实例。但这样做后，表示Chocolate cookies的Product实例就成了孤儿对象。鉴于没有任何引用指向它，应用程序再也无法访问它，如下图所示。

1.4　JVM概念 - 图5

过段时间后，JVM的GC启动，它发现应用程序无法访问表示Chocolate cookies的Product对象，因此决定将其删除，从而释放它占用的内存，如下图所示。

1.4　JVM概念 - 图6

为避免GC将对象删除，有多种技巧。其中一个著名的技巧是，在应用程序需要使用大量类似的对象时，将这些对象放在一个对象池（对象列表）中。在应用程序需要对象时，只需从池中取回一个，并根据需要修改它。使用完毕并不再需要该对象时，将其放回到对象池中。由于这些对象始终在作用域内（未用时，这些对象位于应用程序能够访问的对象池中），GC不会销毁它们。

1.4.7　向后兼容

负责维护JVM和Java类库的人深知企业开发人员的需求：现在编写的代码最好以后也能运行。在向后兼容方面，JVM做得很不错；如果你熟悉Python 2和Python 3，就知道情况并非总是如此。

较新的JVM版本能够运行针对较旧的JVM版本编译的应用程序，条件是应用程序没有使用在较新的JVM版本中已删除的API或技术。例如，在Java 8 JVM实例上运行的项目可加载并使用针对Java 6编译的库，但反过来行不通，即在Java 6 JVM实例上运行的应用程序不能加载针对更高版本编译的类。

当然，与其他平台和语言一样，负责维护JDK和Java类库的人必须时不时地摒弃一些类和技术。在向后兼容性方面，JVM虽然存在问题，但总体而言比众多其他的平台和语言要好得多。另外，通常仅当有合适的替代品后，才会将API删除。

1.4.8　构建工具

在项目比较简单的年代，为自动化编译和打包过程，使用的是简单的批文件或操作系统shell脚本文件。随着项目越来越复杂，定义这样的脚本越来越难。另外，对于不同的操作系统，必须编写完全不同的脚本。

不久后，第一套专用的Java构建工具应运而生。它们使用的是XML构建文件，让你能够编写跨平台的脚本。最初，必须编写冗长而繁琐的脚本；但后来，这些工具采用了约定优先于配置的范式。遵循这些工具指定的约定时，需要编写的代码少得多；但如果你面对的不是默认情形，可能需要花很大的精力来让工具按你希望的做。为自动化构建过程，较新的工具放弃了XML文件，转而提供了脚本语言。

在这些工具中，很多都提供了如下功能。

  • 内置的依赖管理器：能够从著名的网络仓库下载附加库。
  • 自动运行单元测试，并在测试失败时停止打包。

JDK本身没有提供构建工具，但几乎每个项目都至少使用了下面一个开源的构建自动化工具。

  • Apache Ant（没有内置的依赖管理器，使用的是基于XML的构建脚本）。
  • Apache Maven（通过使用XML文件引入了约定优先于配置的原则，并使用插件）。
  • Gradle（构建脚本是使用Groovy或Kotlin编写的）。

只要使用的是流行的IDE，JVM程序员就无需过多地考虑构建自动化工具，因为所有IDE都能够生成构建脚本。如果要获得更大的控制权，可手工编写脚本，并让IDE根据你编写的脚本来编译、测试和运行项目。