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及時部分

走近Java

第1章走近Java

第1章走近Java

世界上并沒有的程序，但我們并不因此而沮喪，因為寫程序本來就是一個不斷追求的過程。

1.1概述

Java不僅僅是一門編程語言，還是一個由一系列計算機軟件和規(guī)范形成的技術體系，這個技術體系提供了完整的用于軟件開發(fā)和跨平臺部署的支持環(huán)境，并廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)、移動終端、企業(yè)服務器、大型機等各種場合，如圖1-1所示。時至今日，Java技術體系已經(jīng)吸引了900多萬軟件開發(fā)者，這是全球較大的軟件開發(fā)團隊。使用Java的設備多達幾十億臺，其中包括11億多臺個人計算機、30億部移動電話及其他手持設備、數(shù)量眾多的智能卡，以及大量機頂盒、導航系統(tǒng)和其他設備。

Java能獲得如此廣泛的認可，除了它擁有一門結構嚴謹、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言之外，還有許多不可忽視的優(yōu)點：它擺脫了硬件平臺的束縛，實現(xiàn)了"一次編寫，到處運行"的理想；它提供了一個相對安全的內(nèi)存管理和訪問機制，避免了絕大部分的內(nèi)存泄露和指針越界問題；它實現(xiàn)了熱點代碼檢測和運行時編譯及優(yōu)化，這使得Java應用能隨著運行時間的增加而獲得更高的性能；它有一套完善的應用程序接口，還有無數(shù)來自商業(yè)機構和開源社區(qū)的第三方類庫來幫助它實現(xiàn)各種各樣的功能……Java所帶來的這些好處使程序的開發(fā)效率得到了很大的提升。作為一名Java程序員，在編寫程序時除了盡情發(fā)揮Java的各種優(yōu)勢外，還應該去了解和思考一下Java技術體系中這些技術特性是如何實現(xiàn)的。認識這些技術運作的本質(zhì)，是自己思考"程序這樣寫好不好"的基礎和前提。當我們在使用一種技術時，如果不再依賴書本和他人就能得到這些問題的答案，那才算上升到了"不惑"的境界。

本書將與讀者一起分析Java技術中最重要的那些特性的實現(xiàn)原理。在本章中，我們將重點介紹Java技術體系內(nèi)容以及Java的歷史、現(xiàn)在和未來的發(fā)展趨勢。

1.2Java技術體系

從廣義上講，Clojure、JRuby、Groovy等運行于Java虛擬機上的語言及其相關的程序都屬于Java技術體系中的一員。如果僅從傳統(tǒng)意義上來看，Sun官方所定義的Java技術體系包括以下幾個組成部分：

?Java程序設計語言

?各種硬件平臺上的Java虛擬機

?Class文件格式

?Java API類庫

?來自商業(yè)機構和開源社區(qū)的第三方Java類庫

我們可以把Java程序設計語言、Java虛擬機、Java API類庫這三部分統(tǒng)稱為JDK(Java Development Kit)，JDK是用于支持Java程序開發(fā)的最小環(huán)境，在后面的內(nèi)容中，為了講解方便，有一些地方會以JDK來代替整個Java技術體系。另外，可以把Java API類庫中的Java SE API子集和Java虛擬機這兩部分統(tǒng)稱為JRE(Java Runtime Environment)，JRE是支持Java程序運行的標準環(huán)境。圖1-2展示了Java技術體系所包含的內(nèi)容，以及JDK和JRE所涵蓋的范圍。

以上是根據(jù)各個組成部分的功能來進行劃分的，如果按照技術所服務的領域來劃分，或者說按照Java技術關注的重點業(yè)務領域來劃分，Java技術體系可以分為4個平臺，分別為：

?Java Card：支持一些Java小程序(Applets)運行在小內(nèi)存設備(如智能卡)上的平臺。

?Java ME(Micro Edition)：支持Java程序運行在移動終端(手機、PDA)上的平臺，對Java API有所精簡，并加入了針對移動終端的支持，這個版本以前稱為J2ME。

?Java SE(Standard Edition)：支持面向桌面級應用(如Windows下的應用程序)的Java平臺，提供了完整的Java核心API，這個版本以前稱為J2SE。

?Java EE(Enterprise Edition)：支持使用多層架構的企業(yè)應用(如ERP、CRM應用)的Java平臺，除了提供Java SE API外，還對其做了大量的擴充并提供了相關的部署支持，這個版本以前稱為J2EE。

1.3Java發(fā)展史

從及時個Java版本誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有18年的時間了。滄海桑田一瞬間，轉眼18年過去了，在圖1-3所展示的時間線中，我們看到JDK已經(jīng)發(fā)展到了1.7版。在這18年里還誕生了無數(shù)和Java相關的產(chǎn)品、技術和標準。現(xiàn)在讓我們走入時間隧道，從孕育Java語言的時代開始，再來回顧一下Java的發(fā)展軌跡和歷史變遷。

1991年4月，由James Gosling博士領導的綠色計劃(Green Project)開始啟動，此計劃的目的是開發(fā)一種能夠在各種消費性電子產(chǎn)品(如機頂盒、冰箱、收音機等)上運行的程序架構。這個計劃的產(chǎn)品就是Java語言的前身：Oak(橡樹)。Oak當時在消費品市場上并不算成功，但隨著1995年互聯(lián)網(wǎng)潮流的興起，Oak迅速找到了最適合自己發(fā)展的市場定位并蛻變成為Java語言。

1995年5月23日，Oak語言改名為Java，并且在SunWorld大會上正式Java 1.0版本。Java語言及時次提出了"Write Once，Run Anywhere"的口號。

1996年1月23日，JDK 1.0，Java語言有了及時個正式版本的運行環(huán)境。JDK 1.0提供了一個純解釋執(zhí)行的Java虛擬機實現(xiàn)(Sun Classic VM)。JDK 1.0版本的代表技術包括：Java虛擬機、Applet、AWT等。

1996年4月，10個最主要的操作系統(tǒng)供應商申明將在其產(chǎn)品中嵌入Java技術。同年9月，已有大約8.3萬個網(wǎng)頁應用了Java技術來制作。在1996年5月底，Sun公司于美國舊金山舉行了首屆JavaOne大會，從此JavaOne成為全世界數(shù)百萬Java語言開發(fā)者每年一度的技術盛會。

1997年2月19日，Sun公司了JDK 1.1，Java技術的一些最基礎的支撐點(如JDBC等)都是在JDK 1.1版本中的，JDK 1.1版的技術代表有：JAR文件格式、JDBC、JavaBeans、RMI。Java語法也有了一定的發(fā)展，如內(nèi)部類(Inner Class)和反射(Reflection)都是在這個時候出現(xiàn)的。

直到1999年4月8日，JDK 1.1一共了1.1.0～1.1.8九個版本。從1.1.4之后，每個JDK版本都有一個自己的名字(工程代號)，分別為：JDK 1.1.4 - Sparkler(寶石)、JDK 1.1.5 - Pumpkin(南瓜)、JDK 1.1.6 - Abigail(阿比蓋爾，女子名)、JDK 1.1.7 - Brutus(布魯圖，古羅馬政治家和將軍)和JDK 1.1.8 Chelsea(切爾西，城市名)。

1998年12月4日，JDK迎來了一個里程碑式的版本JDK 1.2，工程代號為Playground(競技場)，Sun在這個版本中把Java技術體系拆分為3個方向，分別是面向桌面應用開發(fā)的J2SE(Java 2 Platform， Standard Edition)、面向企業(yè)級開發(fā)的J2EE(Java 2 Platform， Enterprise Edition)和面向手機等移動終端開發(fā)的J2ME(Java 2 Platform， Micro Edition)。在這個版本中出現(xiàn)的代表性技術非常多，如EJB、Java Plug-in、Java IDL、Swing等，并且這個版本中Java虛擬機及時次內(nèi)置了JIT(Just In Time)編譯器(JDK 1.2中曾并存過3個虛擬機，Classic VM、HotSpot VM和Exact VM，其中Exact VM只在Solaris平臺出現(xiàn)過；后面兩個虛擬機都是內(nèi)置JIT編譯器的，而之前版本所帶的Classic VM只能以外掛的形式使用JIT編譯器)。在語言和API級別上，Java添加了strictfp關鍵字與現(xiàn)在Java編碼之中極為常用的一系列Collections集合類。在1999年3月和7月，分別有JDK 1.2.1和JDK 1.2.2兩個小版本。

1999年4月27日，HotSpot虛擬機，HotSpot最初由一家名為"Longview Technologies"的小公司開發(fā)，因為HotSpot的優(yōu)異表現(xiàn)，這家公司在1997年被Sun公司收購了。HotSpot虛擬機時是作為JDK 1.2的附加程序提供的，后來它成為了JDK 1.3及之后所有版本的Sun JDK的默認虛擬機。

2000年5月8日，工程代號為Kestrel(美洲紅隼)的JDK 1.3，JDK 1.3相對于JDK 1.2的改進主要表現(xiàn)在一些類庫上(如數(shù)學運算和新的Timer API等)，JNDI服務從JDK 1.3開始被作為一項平臺級服務提供(以前JNDI僅僅是一項擴展)，使用CORBA IIOP來實現(xiàn)RMI的通信協(xié)議，等等。這個版本還對Java 2D做了很多改進，提供了大量新的Java 2D API，并且新添加了JavaSound類庫。JDK 1.3有1個修正版本JDK 1.3.1，工程代號為Ladybird(瓢蟲)，于2001年5月17日。

自從JDK 1.3開始，Sun維持了一個習慣：大約每隔兩年一個JDK的主版本，以動物命名，期間的各個修正版本則以昆蟲作為工程名稱。

2002年2月13日，JDK 1.4，工程代號為Merlin(灰背隼)。JDK 1.4是Java真正走向成熟的一個版本，Compaq、Fujitsu、SAS、Symbian、IBM等著名公司都有參與甚至實現(xiàn)自己獨立的JDK 1.4。哪怕是在十多年后的今天，仍然有許多主流應用(Spring、Hibernate、Struts等)能直接運行在JDK 1.4之上，或者繼續(xù)能運行在JDK 1.4上的版本。JDK 1.4同樣了很多新的技術特性，如正則表達式、異常鏈、NIO、日志類、XML解析器和XSLT轉換器等。JDK 1.4有兩個后續(xù)修正版：2002年9月16日的工程代號為Grasshopper(蚱蜢)的JDK 1.4.1與2003年6月26日的工程代號為Mantis(螳螂)的JDK 1.4.2。

2002年前后還發(fā)生了一件與Java沒有直接關系，但事實上對Java的發(fā)展進程影響很大的事件，那就是微軟公司的.NET Framework了。這個無論是技術實現(xiàn)上還是目標用戶上都與Java有很多相近之處的技術平臺給Java帶來了很多討論、比較和競爭，.NET平臺和Java平臺之間聲勢浩大的孰優(yōu)孰劣的論戰(zhàn)到目前為止都在繼續(xù)。

2004年9月30日，JDK 1.5，工程代號Tiger(老虎)。從JDK 1.2以來，Java在語法層面上的變換一直很小，而JDK 1.5在Java語法易用性上做出了非常大的改進。例如，自動裝箱、泛型、動態(tài)注解、枚舉、可變長參數(shù)、遍歷循環(huán)(foreach循環(huán))等語法特性都是在JDK 1.5中加入的。在虛擬機和API層面上，這個版本改進了Java的內(nèi)存模型(Java Memory Model，JMM)、提供了java.util.concurrent并發(fā)包等。另外，JDK 1.5是官方聲明可以支持Windows 9x平臺的一個JDK版本。

2006年12月11日，JDK 1.6，工程代號Mustang(野馬)。在這個版本中，Sun終結了從JDK 1.2開始已經(jīng)有8年歷史的J2EE、J2SE、J2ME的命名方式，啟用Java SE 6、Java EE 6、Java ME 6的命名方式。JDK 1.6的改進包括：提供動態(tài)語言支持(通過內(nèi)置Mozilla JavaScript Rhino引擎實現(xiàn))、提供編譯API和微型HTTP服務器API等。同時，這個版本對Java虛擬機內(nèi)部做了大量改進，包括鎖與同步、垃圾收集、類加載等方面的算法都有相當多的改動。

在2006年11月13日的JavaOne大會上，Sun公司宣布最終會將Java開源，并在隨后的一年多時間內(nèi)，陸續(xù)將JDK的各個部分在GPL v2(GNU General Public License v2)協(xié)議下公開了源碼，并建立了OpenJDK組織對這些源碼進行獨立管理。除了極少量的產(chǎn)權代碼(Encumbered Code，這部分代碼大多是Sun本身也無權限進行開源處理的)外，OpenJDK幾乎包括了Sun JDK的全部代碼，OpenJDK的質(zhì)量主管曾經(jīng)表示，在JDK 1.7中，Sun JDK和OpenJDK除了代碼文件頭的版權注釋之外，代碼基本上一樣，所以OpenJDK 7與Sun JDK 1.7本質(zhì)上就是同一套代碼庫開發(fā)的產(chǎn)品。

JDK 1.6以后，由于代碼復雜性的增加、JDK開源、開發(fā)JavaFX、經(jīng)濟危機及Sun收購案等原因，Sun在JDK發(fā)展以外的事情上耗費了很多資源，JDK的更新沒有再維持兩年一個主版本的發(fā)展速度。JDK 1.6到目前為止一共了37個Update版本，近期的版本為Java SE 6 Update 37，于2012年10月16日。

2009年2月19日，工程代號為Dolphin(海豚)的JDK 1.7完成了其及時個里程碑版本。根據(jù)JDK 1.7的功能規(guī)劃，一共設置了10個里程碑。一個里程碑版本原計劃于2010年9月9日結束，但由于各種原因，JDK 1.7最終無法按計劃完成。

從JDK 1.7最開始的功能規(guī)劃來看，它本應是一個包含許多重要改進的JDK版本，其中的Lambda項目(Lambda表達式、函數(shù)式編程)、Jigsaw項目(虛擬機模塊化支持)、動態(tài)語言支持、GarbageFirst收集器和Coin項目(語言細節(jié)進化)等子項目對于Java業(yè)界都會產(chǎn)生深遠的影響。在JDK 1.7開發(fā)期間，Sun公司由于相繼在技術競爭和商業(yè)競爭中都陷入泥潭，公司的股票市值跌至僅有高峰時期的3%，已無力推動JDK 1.7的研發(fā)工作按正常計劃進行。為了盡快結束JDK 1.7長期"跳票"的問題，Oracle公司收購Sun公司后不久便宣布將實行"B計劃"，大幅裁剪了JDK 1.7預定目標，以便保障JDK 1.7的正式版能夠于2011年7月28日準時。"B計劃"把不能按時完成的Lambda項目、Jigsaw項目和Coin項目的部分改進延遲到JDK 1.8之中。最終，JDK 1.7的主要改進包括：提供新的G1收集器(G1在時依然處于Experimental狀態(tài)，直至2012年4月的Update 4中才正式"轉正")、加強對非Java語言的調(diào)用支持(JSR-292，這項特性到目前為止依然沒有實現(xiàn)定型)、升級類加載架構等。

到目前為止，JDK 1.7已經(jīng)了9個Update版本，近期的Java SE 7 Update 9于2012年10月16日。從Java SE 7 Update 4起，Oracle開始支持Mac OS X操作系統(tǒng)，并在Update 6中達到支持的程度，同時，在Update 6中還對ARM指令集架構提供了支持。至此，官方提供的JDK可以運行于Windows(不含Windows 9x)、Linux、Solaris和Mac OS平臺上，支持ARM、x86、x64和Sparc指令集架構類型。

2009年4月20日，Oracle公司宣布正式以74億美元的價格收購Sun公司，Java商標從此正式歸Oracle所有(Java語言本身并不屬于哪間公司所有，它由JCP組織進行管理，盡管JCP主要是由Sun公司或者說Oracle公司所領導的)。由于此前Oracle公司已經(jīng)收購了另外一家大型的中間件企業(yè)BEA公司，在完成對Sun公司的收購之后，Oracle公司分別從BEA和Sun中取得了目前三大商業(yè)虛擬機的其中兩個：JRockit和HotSpot，Oracle公司宣布在未來1～2年的時間內(nèi)，將把這兩個的虛擬機互相取長補短，最終合二為一。可以預見在不久的將來，Java虛擬機技術將會產(chǎn)生相當巨大的變化。

根據(jù)Oracle官方提供的信息，JDK 1.8的及時個正式版本將于2013年9月，JDK 1.8將會提供在JDK 1.7中規(guī)劃過，但最終未能在JDK 1.7中的特性，即Lambda表達式、Jigsaw(很不幸，隨后Oracle公司又宣布Jigsaw在JDK 1.8中依然無法完成，需要延至JDK 1.9)和JDK 1.7中未實現(xiàn)的一部分Coin等。

在2011年的JavaOne大會上，Oracle公司還提到了JDK 1.9的長遠規(guī)劃，希望未來的Java虛擬機能夠管理數(shù)以GB計的Java堆，能夠更高效地與本地代碼集成，并且令Java虛擬機運行時盡可能少人工干預，能夠自動調(diào)節(jié)。

1.4Java虛擬機發(fā)展史

上一節(jié)我們從整個Java技術的角度觀察了Java技術的發(fā)展，許多Java程序員都會潛意識地把它與Sun公司的HotSpot虛擬機等同看待，也許還有一些程序員會注意到BEA JRockit和IBM J9，但對JVM的認識不僅僅只有這些。

從1996年初Sun公司的JDK 1.0中所包含的Sun Classic VM到今天，曾經(jīng)涌現(xiàn)、湮滅過許多或經(jīng)典或或有特色的虛擬機實現(xiàn)，在這一節(jié)中，我們先暫且把代碼與技術放下，一起來回顧一下Java虛擬機家族的發(fā)展軌跡和歷史變遷。

1.4.1Sun Classic / Exact VM

以今天的視角來看，Sun Classic VM的技術可能很原始，這款虛擬機的使命也早已終結。但僅憑它"世界上及時款商用Java虛擬機"的頭銜，就足夠有讓歷史記住它的理由。

1996年1月23日，Sun公司JDK 1.0，Java語言首次擁有了商用的正式運行環(huán)境，這個JDK中所帶的虛擬機就是Classic VM。這款虛擬機只能使用純解釋器方式來執(zhí)行Java代碼，如果要使用JIT編譯器，就必須進行外掛。但是假如外掛了JIT編譯器，JIT編譯器就接管了虛擬機的執(zhí)行系統(tǒng)，解釋器便不再工作了。用戶在這款虛擬機上執(zhí)行java -version命令，將會看到類似下面這行輸出：

java version "1.2.2"

Classic VM (build JDK-1.2.2-001, green threads, sunwjit)

其中的"sunwjit"就是Sun提供的外掛編譯器，其他類似的外掛編譯器還有Symantec JIT和shuJIT等。由于解釋器和編譯器不能配合工作，這就意味著如果要使用編譯器執(zhí)行，編譯器就不得不對每一個方法、每一行代碼都進行編譯，而無論它們執(zhí)行的頻率是否具有編譯的價值。基于程序響應時間的壓力，這些編譯器根本不敢應用編譯耗時稍高的優(yōu)化技術，因此這個階段的虛擬機即使用了JIT編譯器輸出本地代碼，執(zhí)行效率也和傳統(tǒng)的C/C++程序有很大差距，"Java語言很慢"的形象就是在這時候開始在用戶心中樹立起來的