01 对Java平台的理解

内容纲要

典型回答

Java 本身是一种面向对象的语言,最显著的特性有两个方面,一是所谓的“书写一次,到处运行”(Write once, run anywhere),能够非常容易地获得跨平台能力;另外就是垃圾收集(GC, Garbage Collection),Java 通过垃圾收集器(Garbage Collector)回收分配内存,大部分情况下,程序员不需要自己操心内存的分配和回收。

我们日常会接触到 JRE(Java Runtime Environment)或者 JDK(Java Development Kit)。 JRE,也就是 Java 运行环境,包含了 JVM 和 Java 类库,以及一些模块等。而 JDK 可以看作是 JRE 的一个超集,提供了更多工具,比如编译器、各种诊断工具等。

对于“Java 是解释执行”这句话,这个说法不太准确。我们开发的 Java 的源代码,首先通过 Javac 编译成为字节码(bytecode),然后,在运行时,通过 Java 虚拟机(JVM)内嵌的解释器将字节码转换成为最终的机器码。但是常见的 JVM,比如我们大多数情况使用的 Oracle JDK 提供的 Hotspot JVM,都提供了 JIT(Just-In-Time)编译器,也就是通常所说的动态编译器,JIT 能够在运行时将热点代码编译成机器码,这种情况下部分热点代码就属于编译执行,而不是解释执行了。

对于这类笼统的问题,你需要尽量表现出自己的思维深入并系统化,Java 知识理解得也比较全面,一定要避免让面试官觉得你是个“知其然不知其所以然”的人。毕竟明白基本组成和机制,是日常工作中进行问题诊断或者性能调优等很多事情的基础,相信没有招聘方会不喜欢“热爱学习和思考”的面试者。

知识扩展

对于 Java 平台的理解,可以从很多方面简明扼要地谈一下,例如:Java 语言特性,包括泛型、Lambda 等语言特性;

基础类库,包括集合、IO/NIO、网络、并发、安全等基础类库。

对于我们日常工作应用较多的类库,面试前可以系统化总结一下,有助于临场发挥。

或者谈谈 JVM 的一些基础概念和机制,比如 Java 的类加载机制,常用版本 JDK(如 JDK 8)内嵌的 Class-Loader,例如 Bootstrap、 Application 和 Extension Class-loader;

类加载大致过程:加载、验证、链接、初始化(这里参考了周志明的《深入理解 Java 虚拟机》,非常棒的 JVM 上手书籍);自定义 Class-Loader 等。

还有垃圾收集的基本原理,最常见的垃圾收集器,如 SerialGC、Parallel GC、 CMS、 G1 等,对于适用于什么样的工作负载最好也心里有数。

当然还有 JDK 包含哪些工具或者 Java 领域内其他工具等,如编译器、运行时环境、安全工具、诊断和监控工具等。

众所周知,我们通常把 Java 分为编译期和运行时。这里说的 Java 的编译和 C/C++ 是有着不同的意义的,Javac 的编译,编译 Java 源码生成“.class”文件里面实际是字节码,而不是可以直接执行的机器码。Java 通过字节码和 Java 虚拟机(JVM)这种跨平台的抽象,屏蔽了操作系统和硬件的细节,这也是实现“一次编译,到处执行”的基础。

在运行时,JVM 会通过类加载器(Class-Loader)加载字节码,解释或者编译执行。就像前面提到的,主流 Java 版本中,如 JDK 8 实际是解释和编译混合的一种模式,即所谓的混合模式(-Xmixed)。通常运行在 server 模式的 JVM,会进行上万次调用以收集足够的信息进行高效的编译,client 模式这个门限是 1500 次。Oracle Hotspot JVM 内置了两个不同的 JIT compiler,C1 对应前面说的 client 模式,适用于对于启动速度敏感的应用,比如普通 Java 桌面应用;C2 对应 server 模式,它的优化是为长时间运行的服务器端应用设计的。默认是采用所谓的分层编译(TieredCompilation)。这里不再展开更多 JIT 的细节,没必要一下子就钻进去,我会在后面介绍分层编译的内容。

Java 虚拟机启动时,可以指定不同的参数对运行模式进行选择。 比如,指定“-Xint”,就是告诉 JVM 只进行解释执行,不对代码进行编译,这种模式抛弃了 JIT 可能带来的性能优势。毕竟解释器(interpreter)是逐条读入,逐条解释运行的。与其相对应的,还有一个“-Xcomp”参数,这是告诉 JVM 关闭解释器,不要进行解释执行,或者叫作最大优化级别。那你可能会问这种模式是不是最高效啊?简单说,还真未必。“-Xcomp”会导致 JVM 启动变慢非常多,同时有些 JIT 编译器优化方式,比如分支预测,如果不进行 profiling,往往并不能进行有效优化。

除了我们日常最常见的 Java 使用模式,其实还有一种新的编译方式,即所谓的 AOT(Ahead-of-Time Compilation),直接将字节码编译成机器代码,这样就避免了 JIT 预热等各方面的开销,比如 Oracle JDK 9 就引入了实验性的 AOT 特性,并且增加了新的 jaotc 工具。利用下面的命令把某个类或者某个模块编译成为 AOT 库。

jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class
jaotc --output libjava.base.so --module java.base

然后,在启动时直接指定就可以了。

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld

而且,Oracle JDK 支持分层编译和 AOT 协作使用,这两者并不是二选一的关系。如果你有兴趣,可以参考相关文档:http://openjdk.java.net/jeps/295。AOT 也不仅仅是只有这一种方式,业界早就有第三方工具(如 GCJ、Excelsior JET)提供相关功能。

另外,JVM 作为一个强大的平台,不仅仅只有 Java 语言可以运行在 JVM 上,本质上合规的字节码都可以运行,Java 语言自身也为此提供了便利,我们可以看到类似 Clojure、Scala、Groovy、JRuby、Jython 等大量 JVM 语言,活跃在不同的场景。

其他补充

“一次编译、到处运行”说的是Java语言跨平台的特性,Java的跨平台特性与Java虚拟机的存在密不可分,可在不同的环境中运行。比如说Windows平台和Linux平台都有相应的JDK,安装好JDK后也就有了Java语言的运行环境。其实Java语言本身与其他的编程语言没有特别大的差异,并不是说Java语言可以跨平台,而是在不同的平台都有可以让Java语言运行的环境而已,所以才有了Java一次编译,到处运行这样的效果。

严格的讲,跨平台的语言不止Java一种,但Java是较为成熟的一种。“一次编译,到处运行”这种效果跟编译器有关。编程语言的处理需要编译器和解释器。Java虚拟机和DOS类似,相当于一个供程序运行的平台。

程序从源代码到运行的三个阶段:编码——编译——运行——调试。Java在编译阶段则体现了跨平台的特点。编译过程大概是这样的:首先是将Java源代码转化成.CLASS文件字节码,这是第一次编译。.class文件就是可以到处运行的文件。然后Java字节码会被转化为目标机器代码,这是是由JVM来执行的,即Java的第二次编译。

“到处运行”的关键和前提就是JVM。因为在第二次编译中JVM起着关键作用。在可以运行Java虚拟机的地方都内含着一个JVM操作系统。从而使JAVA提供了各种不同平台上的虚拟机制,因此实现了“到处运行”的效果。需要强调的一点是,java并不是编译机制,而是解释机制。Java字节码的设计充分考虑了JIT这一即时编译方式,可以将字节码直接转化成高性能的本地机器码,这同样是虚拟机的一个构成部分。

Java特性:
面向对象(封装,继承,多态)
平台无关性(JVM运行.class文件)
语言(泛型,Lambda)
类库(集合,并发,网络,IO/NIO)
JRE(Java运行环境,JVM,类库)
JDK(Java开发工具,包括JRE,javac,诊断工具)

Java是解析运行吗?
不正确!
1,Java源代码经过Javac编译成.class文件
2,.class文件经JVM解析或编译运行。
(1)解析:.class文件经过JVM内嵌的解析器解析执行。
(2)编译:存在JIT编译器(Just In Time Compile 即时编译器)把经常运行的代码作为"热点代码"编译与本地平台相关的机器码,并进行各种层次的优化。
(3)AOT编译器: Java 9提供的直接将所有代码编译成机器码执行。

1,JVM的内存模型,堆、栈、方法区;
字节码的跨平台性;

对象在JVM中的强引用,弱引用,软引用,虚引用,是否可用finalise方法救救它?;

双亲委派进行类加载,什么是双亲呢?双亲就是多亲,一份文档由我加载,然后你也加载,这份文档在JVM中是一样的吗?;

多态思想是Java需要最核心的概念,也是面向对象的行为的一个最好诠释;理解方法重载与重写在内存中的执行流程,怎么定位到这个具体方法的。

2,发展流程,JDK5(重写bug),JDK6(商用最稳定版),JDK7(switch的字符串支持),JDK8(函数式编程),一直在发展进化。

3,理解祖先类Object,它的行为是怎样与现实生活连接起来的。

4,理解23种设计模式,因为它是道与术的结合体。

未来jre将退出历史舞台!

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