仮想マシンとは何ですか?知っていましたか？

1. 要約

ご存知のとおり、Java は長年の開発を経て、単純なコンピュータ プログラミング言語から成熟したソフトウェア ソリューションへと進化しました。インターネットからエンタープライズ プラットフォームまで、Java は現在最も広く使用されているプログラミング言語です。

以下の内容はJavaの公式紹介からの抜粋です。

ラップトップからデータセンター、ゲーム機から科学用スーパーコンピュータ、携帯電話からインターネットまで、Java はあらゆるところに存在しています。

インターネット企業であれ、伝統的な企業であれ、デジタルプラットフォームシステムを開発する場合、世界のほとんどの企業は、企業のデジタル変革を支援し、生産効率を向上させるために、基本的にJavaを選択して開発します。セキュリティ、安定性、高性能、クロスプラットフォームなど、理由はたくさんあります。実は、もう一つ大きな利点があります。人材の採用が簡単だということです、ハハハ～

Java が非常に魅力的な理由は、その優れたプログラミング言語設計だけでなく、仮想マシン プラットフォームの設計によるところもあります。仮想マシンを通じて、アプリケーションを複数のプラットフォーム間で簡単に実行できるため、「一度記述すればどこでも実行できる」という目標が達成され、優れた運用効率が実現します。

2. Java入門

仮想マシンを紹介する前に、Java の開発の歴史を簡単に振り返ってみましょう。

Java は、1990 年代初頭に SUN の少人数のエンジニア チームによってプログラミング言語として最初に開発されました。プロジェクトのリーダーは James Gosling 氏 (Java の父として知られる) でした。このプログラミング言語は当初、オフィスの外にあるオークの木にちなんで Oak と名付けられました。その後、Oak が誰かによって登録されたため、Java に名前が変更されました。

ここに、Java の父の素晴らしい写真を添付し​​ます。

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当時の目標は、セットトップボックス、スマートテレビ、その他のデジタルデバイスなど、デジタルケーブルテレビ業界の組み込みアプリケーションを開発し、トラブルのない動作を実現することでした。その結果、発売後、市場からの反応はほとんどありませんでした。 4年後、技術チームは解散しなければなりませんでした。

しかし、この頃はインターネットが登場したばかりでした。偶然にも、Mark Ardreesen が開発した Mosaic と Netscape が Oak プロジェクト チーム メンバーにインスピレーションを与えました。彼らは Java を使用して HotJava ブラウザを作成しました。 HotJava は、Web ページ内で Java コードを実行する機能を備えており、さまざまなコンピュータ デバイスでスムーズに実行できます。この影響は Sun の CEO である Scott McNealy によって支持され、Java がインターネットに参入する決意が引き起こされました。

これは当時大きな騒ぎとなり、人々はインターネットの将来がどのようなものであるべきかを知ったようでした。一時期、Java は多くのメーカーや開発者から求められていました。そこで Sun は、鉄が熱いうちに打って出て、1996 年に JDK1.0 を正式にリリースしました。当時の 10 大オペレーティング システム メーカーは、自社のシステムで Java プログラムの実行をサポートすると発表しました。それ以来、インターネットの急速な発展の中で、Java は大ヒットとなりました。

インターネットの発展において Java が開発者から幅広い支持を得ている重要な理由の 1 つは、「一度書けばどこでも実行できる」という効果を実現し、ソフトウェア開発の作業負荷を大幅に軽減できることです。この効果は主に Java のアーキテクチャ概念設計によって実現されます。

C や C++ などのプログラミング言語は、コードを直接マシンコードにコンパイルして実行します。これは非常に高速ですが、異なるプラットフォーム (x86、ARM など) 上の CPU の命令セットも異なります。アプリケーションを開発するたびに、対応するマシンコードを各プラットフォーム用にコンパイルする必要があり、非常に面倒です。

Javaは違います。コードを抽象的な CPU 命令に似た「バイトコード」にコンパイルします。仮想マシンは、バイトコードを読み込み、さまざまなプラットフォームに応じて対応するマシン コードにコンパイルして実行する役割を担い、「一度書けばどこでも実行できる」という効果を実現します。

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もちろん、仮想マシンはプラットフォームごとに個別に開発する必要があります。異なるプラットフォームや異なる企業によって開発された仮想マシンが Java バイトコードを正しく実行できることを保証するために、SUN は一連の Java 仮想マシン仕様を開発しました。実用的な観点から見ると、仮想マシンの互換性は非常に良好であり、下位バージョンの Java バイトコードは上位バージョンの仮想マシン上で正常に実行できます。

JDK の内部構造全体は次のようにまとめられます (図は Liao Xuefeng の Java 入門から引用)

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JDK、JRE、JVM の関係を簡単に説明すると、次のようになります。

• JDK (Java Development Kit): コンパイラ、デバッガ、Java APIクラスライブラリ、Java仮想マシンなどを含むJava言語ソフトウェア開発キットを指し、通常は開発環境で使用される。
• JRE (Java Runtime Environment): Java API クラス ライブラリ、Java 仮想マシンなどを含む Java ランタイム環境を指します。通常は Java アプリケーションを実行するために使用され、通常は実稼働環境で使用されます。
• JVM (Java仮想マシン): さまざまなプラットフォームでJavaアプリケーションを実行するために使用されるJava仮想マシンを指します。

JVM は、Java アプリケーションを複数のプラットフォームで実行できるようにするコアであることが明確にわかります。したがって、JVM 関連の知識を理解して学習することは、開発者が Java 関連のテクノロジーをより包括的に理解するのに役立ちます。

オペレーティング システムのコマンド ラインで java -version と入力して、現在の JDK が使用している仮想マシンのバージョンを確認します。

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3. 仮想マシンの概要

Java 仮想マシンに関して言えば、多くの開発者は、上のスクリーンショットに示すように、まず HotSpot 仮想マシンを思い浮かべるかもしれません。

実際、HotSpot の他に、Sun Classic VM、Exact VM、BEA JRockit VM、IBM J9 VM なども存在します。仮想マシンの開発プロセスは、「百の花を咲かせる」という 4 つの言葉で要約できます。

3.1 サンクラシックVM

1996 年に Sun が JDK 1.0 をリリースしたとき、それに付属していた仮想マシンは Classic VM でした。この仮想マシンは、純粋なインタープリタ アプローチを使用して Java コードを実行します。簡単に言えば、現在のようにコンパイラを介してコードを実行するのではなく (最初にコンパイルしてから実行する)、コードを解釈しながら実行します。 Sun Classic 仮想マシンでは、インタープリタとコンパイラが共存できないため、Java アプリケーションの実行速度は確実に速くなるわけではなく、十分であるとしか言えません。

1998 年に Sun が JDK 1.2 をリリースしたとき、同社は Classic VM で発生したすべての問題を解決しようとする Exact VM と呼ばれる仮想マシンも発表しました。その実行システムは、インタープリタとコンパイラが同時に動作できないという Classic VM の問題を解決し、2 レベルのジャストインタイム コンパイルや正確なメモリ管理など、最新の高性能プロセッサの機能も備えています。

残念ながら、この仮想マシンは大規模に使用されたことはなく、Sun Classic VM は今でもデフォルトの Java 仮想マシンです。

3.2 ホットスポットVM

2000 年に Sun が JDK 1.3 をリリースしたとき、HotSpot VM がデフォルトの Java 仮想マシンとなり、広く普及する Java 仮想マシンになると発表しました。

実際、この仮想マシンは Sun によってネイティブに開発されたのではなく、Longview Technologies という会社によって開発されました。 Sun は、JIT コンパイルにおけるこの仮想マシンの優れた成果の数々に注目し、1997 年に Longview Technologies を買収して HotSpot VM の所有権を取得しました。

HotSpot VM は、上記の 2 つの仮想マシンの利点を備えているだけでなく、ホットスポット検出テクノロジなど、独自の新しいテクノロジも多数備えています。ホットスポット検出テクノロジーとは、実行カウンターを通じて最も最適化されたコードを見つけ、メソッドごとに高度な最適化コンパイルを実行するよう JIT コンパイラに通知することを指します。

実は、Exact VM にも同様の技術がありますが、最終的には HotSpot がデフォルトの仮想マシンとして選択されました。

HotSpot VM がデフォルトの Java 仮想マシンになってから、現在に至るまで最もよく使用されている仮想マシンであり、HotSpot VM の粘り強さが証明されています。

3.3. BEA JRockit/IBM J9 VM

前回の記事では、Sun Microsystems が開発した仮想マシンについて説明しました。ただし、Sun Microsystems 以外にも、他の組織や企業も多数の仮想マシン実装を開発しています。最も有名なのは、BEA の JRockit VM と IBM の J9 VM です。

JRockit VM は、HotSpot の他によく知られている仮想マシンです。 BEA は 2002 年にこの仮想マシンの開発者を買収しました。この仮想マシンは長い間、世界最速の Java 仮想マシンとして知られています。これはサーバー側アプリケーションに重点を置いた仮想マシンであり、そのガベージ コレクション アルゴリズムは他のすべての仮想マシンよりも優れたパフォーマンスを発揮します。さらに、提供される MissionControl サービス スイートも非常に強力です。

IBM の J9 VM は、より汎用的な仮想マシンであり、サーバーからデスクトップ アプリケーション、組み込みシステムに至るまで、多目的仮想マシンで使用されるように位置付けられています。 IBM は、さまざまな Java 製品の実行プラットフォームとして機能する J9 VM を開発しました。わずかな違いは、IBM J9 VM は IBM 製品でのみ使用できることです。技術的な制限はありませんが、別途商用ライセンスが必要です。

J9 VM のパフォーマンス レベルは、HotSpot VM とほぼ同じです。シナリオによっては、HotSpot VM の方が高速な場合もあれば、J9 VM の方が高速な場合もあります。

3.4 その他のJVM

HotSpot、JRockit、J9 の 3 つの仮想マシンは、長い間、3 つの主要な主流 JVM として知られていました。これらは、Java 仮想マシン開発の歴史の中で最も輝かしい部分であると言えます。また、実は狭い範囲で様々な仮想マシンが使われています。

たとえば、Azul VM や BEA Liquid VM などの専用の商用仮想マシンは非常に強力なパフォーマンスを備えており、少なくとも数十個の CPU と数百 GB のメモリ リソースを管理できます。また、膨大なメモリ範囲内で制御可能な GC 時間を実現できるガベージ コレクターなども提供されます。これらの仮想マシンは特定のハードウェア プラットフォームでのみ実行されるため、要件は比較的高くなります。

さらに、Apache Harmony、Google Android Dalvik VM、Mircosoft JVM など、それぞれの分野で役割を果たす仮想マシンが数多くあります。

3.5、オラクル

サンの技術がこれほど強力だとは誰も予想していなかったが、その後数年間で徐々に衰退していった。販売と運営に関する知識が不足していたため、会社の財務は徐々に損失を被っていった。 2009年、オラクルは現金74億ドルでサンを買収した。

以前、Oracle は 2008 年に BEA を買収し、JRocket VM の所有権を取得しました。これは、JRockit と HotSpot の両方が Oracle によって所有されていることを意味します。

実は、JDK1.8 の HotSpot VM は、以前の HotSpot VM と JRockit VM を統合したバージョンであり、伝説の「HotRockit」ですが、製品名は依然として HotSpot VM と呼ばれています。

JVM の今後の開発はどんどん良くなっていくと思いますので、楽しみに待ちましょう!

IV.まとめ

この記事では主にJavaの開発の歴史に焦点を当て、仮想マシンの誕生の歴史をまとめています。次回以降の記事では、JVM 関連の知識をまとめて共有します。説明に不正確な点がある場合は、メッセージを残して指摘してください。どうもありがとうございます！

5. 参考

1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1255876875896416

2.https://www.cnblogs.com/xrq730/p/4826691.html

3.https://www.cnblogs.com/chanshuyi/p/jvm_serial_02_the_history_of_jvm.html