JVM到底是什么？虚拟机的本质

引言

为什么要学习这个主题？

在上一篇文章中，我们了解了Java程序的运行流程，知道了JVM在其中扮演着"翻译官"的角色。但你是否想过：

JVM到底是一个软件？还是一个标准？
为什么Oracle的JDK和OpenJDK的行为基本一致？
HotSpot、OpenJ9、GraalVM这些名字都是什么？有什么区别？

理解JVM的本质，是掌握Java技术栈的关键。就像理解"什么是HTTP"比单纯会用浏览器更重要一样。

你将学到什么？

✅ 虚拟机的本质与分类
✅ JVM规范与JVM实现的区别
✅ 主流JVM实现的特点与选择
✅ 如何查看和切换JVM

一、什么是虚拟机？

1.1 虚拟机的定义

虚拟机（Virtual Machine）：通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。

简单来说：用软件模拟硬件。

1.2 虚拟机的分类

系统虚拟机（System VM）

代表：VMware、VirtualBox、Parallels Desktop

特点：

模拟完整的计算机系统
可以运行完整的操作系统
提供硬件虚拟化（CPU、内存、硬盘、网卡等）

使用场景：

物理机（Windows）
    ↓
VMware 虚拟机
    ↓
虚拟Linux系统（完整的操作系统）

进程虚拟机（Process VM）

代表：JVM、Python解释器、.NET CLR

特点：

只模拟程序运行环境
不需要完整的操作系统
为单个进程提供跨平台的执行环境

使用场景：

物理机（任何OS）
    ↓
JVM进程虚拟机
    ↓
Java程序（字节码）

1.3 JVM属于哪一类？

JVM是进程虚拟机（Process VM）

不模拟硬件
只提供字节码的执行环境
每个Java程序运行在一个JVM进程中

关键理解：

系统虚拟机 = 虚拟计算机（有CPU、内存、硬盘）
进程虚拟机 = 虚拟执行环境（只能运行特定程序）

二、JVM的本质：规范 vs 实现

2.1 JVM规范（JVM Specification）

定义：Oracle官方发布的一份技术文档，详细定义了JVM应该做什么、怎么做。

核心内容：

class文件格式
字节码指令集
运行时数据区域
垃圾收集机制（但不规定具体算法）
异常处理

官方文档：The Java Virtual Machine Specification

类比理解：

JVM规范 = 蓝图、标准、接口
就像：
- HTTP规范定义了浏览器和服务器如何通信
- SQL标准定义了数据库查询语言的语法

但规范本身不能运行，需要有人按照规范去实现。

2.2 JVM实现（JVM Implementation）

定义：按照JVM规范开发的具体软件产品。

常见JVM实现：

HotSpot：Oracle官方JVM（最流行）
OpenJ9：IBM开源的JVM（原Eclipse OpenJ9）
GraalVM：Oracle新一代多语言虚拟机
Zing：Azul公司的商业JVM（低延迟）
Dalvik/ART：Android平台的JVM

类比理解：

JVM实现 = 按照蓝图建造的房子
就像：
- Chrome、Firefox、Safari都是HTTP规范的实现（浏览器）
- MySQL、PostgreSQL、Oracle都是SQL标准的实现（数据库）

虽然都遵循同一个规范，但实现细节、性能、特性会有差异。

2.3 规范与实现的关系

┌─────────────────────────────────┐
│      JVM规范（Specification）      │
│  - class文件格式                   │
│  - 字节码指令集                    │
│  - 运行时数据区                    │
│  - 垃圾回收机制定义                │
└────────────┬────────────────────┘
             │ 遵循
     ┌───────┴────────┐
     ↓                ↓
┌──────────┐    ┌──────────┐
│ HotSpot  │    │ OpenJ9   │    ... 更多实现
│  JVM     │    │   JVM    │
│          │    │          │
│ Oracle   │    │  IBM     │
└──────────┘    └──────────┘

同一份字节码 → 在不同JVM上都能运行
               （但性能、行为细节可能不同）

关键点：

规范保证兼容性：同一份.class文件可以在所有符合规范的JVM上运行
实现决定性能：不同JVM的GC算法、JIT优化策略不同，性能差异很大
实现可以扩展：JVM可以在规范之外提供额外功能（如工具、监控）

三、主流JVM实现对比

3.1 HotSpot JVM

开发者：Sun Microsystems（现在Oracle）

特点：

市场占有率最高（超过90%）
成熟稳定：经过20多年的优化
强大的JIT编译器：C1（客户端编译器）+ C2（服务端编译器）
多种GC算法：Serial、Parallel、CMS、G1、ZGC

适用场景：

通用应用开发（首选）
需要稳定性的生产环境
有丰富生态工具支持

版本来源：

Oracle JDK：商业版本（需要授权）
OpenJDK：开源版本（免费，社区维护）
Adoptium（前AdoptOpenJDK）：预构建的OpenJDK版本
Amazon Corretto：AWS提供的OpenJDK发行版

3.2 OpenJ9 JVM

开发者：IBM（现在Eclipse基金会）

特点：

启动速度快：比HotSpot快30-40%
内存占用小：适合容器化环境
快速预热：Ahead-of-Time (AOT) 编译
独特的GC算法：Balanced GC、Metronome GC

适用场景：

云原生应用（Kubernetes）
短生命周期服务
内存受限环境

获取方式：

Eclipse OpenJ9：https://www.eclipse.org/openj9/
IBM Semeru Runtimes：IBM提供的OpenJ9发行版

3.3 GraalVM

开发者：Oracle Labs

特点：

多语言支持：Java、JavaScript、Python、Ruby等
Native Image：编译成本地可执行文件（无需JVM）
极致启动速度：毫秒级启动
高级JIT编译器：Graal Compiler

适用场景：

Serverless函数（AWS Lambda）
微服务（快速启动）
多语言混合应用

版本：

GraalVM Community Edition：免费开源
GraalVM Enterprise Edition：商业版（性能更优）

3.4 性能对比表

特性	HotSpot	OpenJ9	GraalVM
启动速度	中等	快	极快（Native Image）
预热时间	中等	快	快
峰值性能	优秀	良好	优秀
内存占用	中等	小	小（Native Image）
生态成熟度	最成熟	成熟	快速发展
学习曲线	平缓	中等	陡峭
适用场景	通用	云原生	云原生/Serverless

四、实战：查看和切换JVM

4.1 查看当前JVM版本

# 查看Java版本
java -version

HotSpot输出示例：

openjdk version "17.0.9" 2023-10-17
OpenJDK Runtime Environment (build 17.0.9+9)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 17.0.9+9, mixed mode)
                          ↑
                    这里显示JVM类型

OpenJ9输出示例：

openjdk version "17.0.9" 2023-10-17
OpenJDK Runtime Environment (build openj9-0.41.0)
Eclipse OpenJ9 VM (build openj9-0.41.0, JRE 17)
         ↑
    显示OpenJ9

4.2 使用不同的JVM运行程序

示例程序：

// JVMInfo.java
public class JVMInfo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("JVM名称: " +
            System.getProperty("java.vm.name"));
        System.out.println("JVM版本: " +
            System.getProperty("java.vm.version"));
        System.out.println("JVM供应商: " +
            System.getProperty("java.vm.vendor"));

        // 内存信息
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        long maxMemory = runtime.maxMemory() / 1024 / 1024;
        long totalMemory = runtime.totalMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("最大内存: " + maxMemory + "MB");
        System.out.println("已分配内存: " + totalMemory + "MB");
    }
}

编译运行：

# 编译
javac JVMInfo.java

# HotSpot运行
java JVMInfo

# 如果安装了OpenJ9，切换到OpenJ9运行
# （需要先安装OpenJ9版本的JDK）
/path/to/openj9-jdk/bin/java JVMInfo

输出对比：

HotSpot：

JVM名称: OpenJDK 64-Bit Server VM
JVM版本: 17.0.9+9
JVM供应商: Oracle Corporation
最大内存: 4096MB
已分配内存: 256MB

OpenJ9：

JVM名称: Eclipse OpenJ9 VM
JVM版本: openj9-0.41.0
JVM供应商: Eclipse OpenJ9
最大内存: 2048MB     # 默认内存更小
已分配内存: 128MB

4.3 安装和管理多个JVM

使用SDKMAN!（推荐）：

# 安装SDKMAN!
curl -s "https://get.sdkman.io" | bash

# 列出可用的Java版本
sdk list java

# 安装不同的JVM
sdk install java 17.0.9-tem        # Adoptium (HotSpot)
sdk install java 17.0.9-sem        # Semeru (OpenJ9)
sdk install java 17.0.9-graal      # GraalVM

# 切换默认JVM
sdk use java 17.0.9-sem

# 查看当前版本
java -version

五、常见问题与疑问

❓ 问题1：为什么需要JVM规范？

原因：

保证兼容性：同一份字节码在所有JVM上都能运行
鼓励创新：不同厂商可以在规范范围内优化性能
平台无关性：规范定义了跨平台的标准

类比：

就像USB接口标准，让不同厂商的设备都能互相兼容
如果没有规范，每个JVM都自己定义字节码格式，Java就无法跨平台了

❓ 问题2：HotSpot和OpenJDK是什么关系？

关系：

OpenJDK = 开源Java开发套件（包含JVM、类库、工具）
    ↓
HotSpot = OpenJDK中的JVM实现（核心组件）

说明：

OpenJDK是完整的Java开发套件（JDK）
HotSpot是OpenJDK内部使用的JVM
下载OpenJDK时，默认就是使用HotSpot JVM

❓ 问题3：应该选择哪个JVM？

推荐策略：

场景	推荐JVM	理由
通用开发	HotSpot (OpenJDK)	生态成熟、资料丰富、稳定
云原生/容器	OpenJ9	启动快、内存小
Serverless	GraalVM Native Image	毫秒级启动、无需JVM
遗留系统	HotSpot	兼容性最好
低延迟应用	Azul Zing	专业GC算法

初学者建议：先学习HotSpot，熟悉后再探索其他JVM。

❓ 问题4：JVM版本和Java版本是什么关系？

关系：

Java 8 → HotSpot 25.x
Java 11 → HotSpot 11.x
Java 17 → HotSpot 17.x

Java版本号 ≈ JVM版本号（但不完全等同）

说明：

Java版本指语言特性和标准库版本
JVM版本指虚拟机的版本
通常一起升级，但JVM版本号规则更复杂

六、深入理解：为什么有这么多JVM实现？

6.1 不同实现的优化方向不同

HotSpot：
    ↓
优化目标：峰值性能
策略：分层编译、强大的C2编译器
适合：长时间运行的服务

OpenJ9：
    ↓
优化目标：启动速度、内存占用
策略：AOT编译、共享类缓存
适合：短生命周期、容器化

GraalVM：
    ↓
优化目标：极致启动、多语言
策略：Native Image、提前编译
适合：Serverless、微服务

6.2 JVM实现的演进历史

1995 → Sun Classic VM（最早的JVM）
         ↓
1999 → HotSpot VM（Sun收购，成为主流）
         ↓
2006 → OpenJDK发布（HotSpot开源）
         ↓
2017 → OpenJ9开源（IBM贡献给Eclipse）
         ↓
2019 → GraalVM正式发布（Oracle新一代）
         ↓
2024 → 多元化时代（各有特色）

总结

核心要点回顾

虚拟机的分类
- 系统虚拟机：模拟完整计算机（VMware）
- 进程虚拟机：模拟程序执行环境（JVM）
JVM规范 vs JVM实现
- 规范：定义标准、保证兼容性
- 实现：具体产品、性能有差异
主流JVM实现
- HotSpot：市场主流，成熟稳定
- OpenJ9：启动快，内存小
- GraalVM：多语言，Native Image
选择建议
- 通用场景：HotSpot（OpenJDK）
- 云原生：OpenJ9
- Serverless：GraalVM

思考题

为什么说"JVM是Java跨平台的关键"？规范和实现分别起什么作用？
如果你的应用需要在Docker容器中运行，应该选择哪个JVM？为什么？
GraalVM的Native Image能编译成本地可执行文件，那还算是"Java虚拟机"吗？

下一篇预告

下一篇《JVM架构全景图：五大核心组件详解》，我们将深入探讨：

JVM的内部结构
类加载器、运行时数据区、执行引擎等核心组件
各组件如何协作运行Java程序
JVM的完整生命周期

参考资料

The Java Virtual Machine Specification (Java SE 17)
HotSpot Virtual Machine
Eclipse OpenJ9
GraalVM
《深入理解Java虚拟机（第3版）》- 周志明，第1章

欢迎在评论区分享你对不同JVM的使用经验！

引言#

为什么要学习这个主题？#

你将学到什么？#

一、什么是虚拟机？#

1.1 虚拟机的定义#

1.2 虚拟机的分类#

系统虚拟机（System VM）#

进程虚拟机（Process VM）#

1.3 JVM属于哪一类？#

二、JVM的本质：规范 vs 实现#

2.1 JVM规范（JVM Specification）#

2.2 JVM实现（JVM Implementation）#

2.3 规范与实现的关系#

三、主流JVM实现对比#

3.1 HotSpot JVM#

3.2 OpenJ9 JVM#

3.3 GraalVM#

3.4 性能对比表#

四、实战：查看和切换JVM#

4.1 查看当前JVM版本#

4.2 使用不同的JVM运行程序#

4.3 安装和管理多个JVM#

五、常见问题与疑问#

❓ 问题1：为什么需要JVM规范？#

❓ 问题2：HotSpot和OpenJDK是什么关系？#

❓ 问题3：应该选择哪个JVM？#

❓ 问题4：JVM版本和Java版本是什么关系？#

六、深入理解：为什么有这么多JVM实现？#

6.1 不同实现的优化方向不同#

6.2 JVM实现的演进历史#

总结#

核心要点回顾#

思考题#

下一篇预告#

参考资料#

引言

为什么要学习这个主题？

你将学到什么？

一、什么是虚拟机？

1.1 虚拟机的定义

1.2 虚拟机的分类

系统虚拟机（System VM）

进程虚拟机（Process VM）

1.3 JVM属于哪一类？

二、JVM的本质：规范 vs 实现

2.1 JVM规范（JVM Specification）

2.2 JVM实现（JVM Implementation）

2.3 规范与实现的关系

三、主流JVM实现对比

3.1 HotSpot JVM

3.2 OpenJ9 JVM

3.3 GraalVM

3.4 性能对比表

四、实战：查看和切换JVM

4.1 查看当前JVM版本

4.2 使用不同的JVM运行程序

4.3 安装和管理多个JVM

五、常见问题与疑问

❓ 问题1：为什么需要JVM规范？

❓ 问题2：HotSpot和OpenJDK是什么关系？

❓ 问题3：应该选择哪个JVM？

❓ 问题4：JVM版本和Java版本是什么关系？

六、深入理解：为什么有这么多JVM实现？

6.1 不同实现的优化方向不同

6.2 JVM实现的演进历史

总结

核心要点回顾

思考题

下一篇预告

参考资料