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⑴ 深入Java調試體系: 第1部分，JPDA體系概覽

JPDA（Java Platform Debugger Architecture）是 Java 平台調試體系結構的縮寫 通過 JPDA 提供的 API 開發人員可以方便靈活的搭建 Java 調試應用程序 JPDA 主要由三個部分組成 Java 虛擬機工具介面（JVMTI） Java 調試線協議（JDWP） 以及 Java 調試介面（JDI） 本系列將會詳細介紹這三個模塊的內部細節 通過實例為讀者揭開 JPDA 的面紗 本文是該系列的第一篇 將會著重從整體上介紹 JPDA 的各個組成 闡述它們彼此之間的內在關聯

JPDA 概述

所有的程序員都會遇到 bug 對於運行態的錯誤 我們往往需要一些方法來觀察和測試運行態中的環境 在 Java 程序中 最簡單的 您是否嘗試過使用 System out println（） 來輸出您的 Java 程序的執行中的各種變數狀態來發現您的 Java 程序運行時的問題？這種方式方便易用 在一些簡單的情況下能夠解決您的問題 但是如果當您的程序運行在遠程環境上 或者當前環境不允許控制台終端輸出（比如 考慮一下虛擬機初始化之時） 您無法獲取終端輸出的時候呢？或者 如果您根本無法本地修改運行您的程序？

無須擔心 您可以通過很多的調試工具來幫助您解決這個問題 常見的 IDE 都附帶一個非常直觀簡單的調試工具 比如 Eclipse（圖 ）就提供一個功能非常全面 操作非常簡單的調試器

圖 使用 Eclipse 調試 Java 程序

其他的一些常見的 Java IDE 比如 Netbeans 和 IntelliJ 等等也都提供了類似的功能 您甚至能不用 IDE 提供的圖形界面 使用 JDK 自帶的 jdb 工具 以文本命令的形式來調試您的 Java 程序 這些形形 *** 的調試器都支持本地和遠程的程序調試 那麼它們是如何被開發的？它們之間存在著什麼樣的聯系呢？我們不得不提及 Java 的調試體系—— JPDA

我們知道 Java 程序都是運行在 Java 虛擬機上的 我們要調試 Java 程序 事實上就需要向 Java 虛擬機請求當前運行態的狀態 並對虛擬機發出一定的指令 設置一些回調等等 那麼 Java 的調試體系 就是虛擬機的一整套用於調試的工具和介面

對於 Java 虛擬機介面熟悉的人來說 您一定還記得 Java 提供了兩個介面體系 JVMPI（Java Virtual Machine Profiler Interface）和 JVMDI（Java Virtual Machine Debug Interface） 而它們 以及在 Java SE 中准備代替它們的 JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface） 都是 Java 平台調試體系（Java Platform Debugger Architecture JPDA）的重要組成部分 Java SE 自 版就開始推出 Java 平台調試體系結構（JPDA）工具集 而從 JDK x 開始 Java SDK 就提供了對 Java 平台調試體系結構的直接支持 顧名思義 這個體系為開發人員提供了一整套用於調試 Java 程序的 API 是一套用於開發 Java 調試工具的介面和協議 本質上說 它是我們通向虛擬機 考察虛擬機運行態的一個通道 一套工具 理解這一點對於學習 JPDA 非常重要

換句話說 通過 JPDA 這套介面 我們就可以開發自己的調試工具 通過這些 JPDA 提供的介面和協議 調試器開發人員就能根據特定開發者的需求 擴展定製 Java 調試應用程序 開發出吸引開發人員使用的調試工具 前面我們提到的 IDE 調試工具都是基於 JPDA 體系開發的 區別僅僅在於它們可能提供了不同的圖形界面 具有一些不同的自定義功能 另外 我們要注意的是 JPDA 是一套標准 任何的 JDK 實現都必須完成這個標准 因此 通過 JPDA 開發出來的調試工具先天具有跨平台 不依賴虛擬機實現 JDK 版本無關等移植優點 因此大部分的調試工具都是基於這個體系的

JPDA 組成模塊

JPDA 定義了一個完整獨立的體系 它由三個相對獨立的層次共同組成 而且規定了它們三者之間的交互方式 或者說定義了它們通信的介面 這三個層次由低到高分別是 Java 虛擬機工具介面（JVMTI） Java 調試線協議（JDWP）以及 Java 調試介面（JDI） 這三個模塊把調試過程分解成幾個很自然的概念 調試者（debugger）和被調試者（debuggee） 以及他們中間的通信器 被調試者運行於我們想調試的 Java 虛擬機之上 它可以通過 JVMTI 這個標准介面 監控當前虛擬機的信息 調試者定義了用戶可使用的調試介面 通過這些介面 用戶可以對被調試虛擬機發送調試命令 同時調試者接受並顯示調試結果 在調試者和被調試著之間 調試命令和調試結果 都是通過 JDWP 的通訊協議傳輸的 所有的命令被封裝成 JDWP 命令包 通過傳輸層發送給被調試者 被調試者接收到 JDWP 命令包後 解析這個命令並轉化為 JVMTI 的調用 在被調試者上運行 類似的 JVMTI 的運行結果 被格式化成 JDWP 數據包 發送給調試者並返回給 JDI 調用 而調試器開發人員就是通過 JDI 得到數據 發出指令 圖 展示了這個過程

圖 JPDA 模塊層次

當然 開發人員完全可以不使用完整的三個層次 而是基於其中的某一個層次開發自己的應用 比如您完全可以僅僅依靠通過 JVMTI 函數開發一個調試工具 而不使用 JDWP 和 JDI 只使用自己的通訊和命令介面 當然 除非是有特殊的需求 利用已有的實現會使您事半功倍 避免重復發明輪子

這三個模塊我們會在後續文章中分別詳細介紹 這里我們簡單介紹它們的主要功能

Java 虛擬機工具介面（JVMTI）

JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）即指 Java 虛擬機工具介面 它是一套由虛擬機直接提供的 native 介面 它處於整個 JPDA 體系的最底層 所有調試功能本質上都需要通過 JVMTI 來提供 通過這些介面 開發人員不僅調試在該虛擬機上運行的 Java 程序 還能查看它們運行的狀態 設置回調函數 控制某些環境變數 從而優化程序性能 我們知道 JVMTI 的前身是 JVMDI 和 JVMPI 它們原來分別被用於提供調試 Java 程序以及 Java 程序調節性能的功能 在 J SE 之後 JDK 取代了 JVMDI 和 JVMPI 這兩套介面 JVMDI 在最新的 Java SE 中已經不提供支持 而 JVMPI 也計劃在 Java SE 後被徹底取代

Java 調試線協議（JDWP）

JDWP（Java Debug Wire Protocol）是一個為 Java 調試而設計的一個通訊交互協議 它定義了調試器和被調試程序之間傳遞的信息的格式 在 JPDA 體系中 作為前端（front end）的調試者（debugger）進程和後端（back end）的被調試程序（debuggee）進程之間的交互數據的格式就是由 JDWP 來描述的 它詳細完整地定義了請求命令 回應數據和錯誤代碼 保證了前端和後端的 JVMTI 和 JDI 的通信通暢 比如在 Sun 公司提供的實現中 它提供了一個名為 jdwp dll（jdwp so）的動態鏈接庫文件 這個動態庫文件實現了一個 Agent 它會負責解析前端發出的請求或者命令 並將其轉化為 JVMTI 調用 然後將 JVMTI 函數的返回值封裝成 JDWP 數據發還給後端

另外 這里需要注意的是 JDWP 本身並不包括傳輸層的實現 傳輸層需要獨立實現 但是 JDWP 包括了和傳輸層交互的嚴格的定義 就是說 JDWP 協議雖然不規定我們是通過 EMS 還是快遞運送貨物的 但是它規定了我們傳送的貨物的擺放的方式 在 Sun 公司提供的 JDK 中 在傳輸層上 它提供了 socket 方式 以及在 Windows 上的 shared memory 方式 當然 傳輸層本身無非就是本機內進程間通信方式和遠端通信方式 用戶有興趣也可以按 JDWP 的標准自己實現

Java 調試介面（JDI）

JDI（Java Debug Interface）是三個模塊中最高層的介面 在多數的 JDK 中 它是由 Java 語言實現的 JDI 由針對前端定義的介面組成 通過它 調試工具開發人員就能通過前端虛擬機上的調試器來遠程操控後端虛擬機上被調試程序的運行 JDI 不僅能幫助開發人員格式化 JDWP 數據 而且還能為 JDWP 數據傳輸提供隊列 緩存等優化服務 從理論上說 開發人員只需使用 JDWP 和 JVMTI 即可支持跨平台的遠程調試 但是直接編寫 JDWP 程序費時費力 而且效率不高 因此基於 Java 的 JDI 層的引入 簡化了操作 提高了開發人員開發調試程序的效率

表 總結了三個模塊的不同點

表 JPDA 層次比較 模塊 層次 編程語言 作用 JVMTI 底層 C 獲取及控制當前虛擬機狀態 JDWP 中介層 C 定義 JVMTI 和 JDI 交互的數據格式 JDI 高層 Java 提供 Java API 來遠程式控制制被調試虛擬機

JPDA 實現

關於 Apache Harmony 項目 Apache Harmony 旨在開發出一個獨立且與現有 JDK 兼容的 Java SE 實現 它以 Apache 軟體許可證 版發行 它建立了一個開放的模塊化運行時架構 包括虛擬機和類庫之間及其內部的模塊化 通過這個平台 社區能在已有實現的基礎上自由定製自己的 Java 實現 或者對某個模塊單獨進行創新

每一個虛擬機都應該實現 JVMTI 介面 但是 JDWP 和 JDI 本身與虛擬機並非是不可分的 這三個層之間是通過標准所定義的交互的介面和協議聯系起來的 因此它們可以被獨立替換或取代 但不會影響到整體調試工具的開發和使用 因此 開發和使用自己的 JDWP 和 JDI 介面實現是可能的

Java 軟體開發包（SDK）標准版里提供了 JPDA 三個層次的標准實現 事實上 調試工具開發人員還有很多其他開源實現可以選擇 比如 Apache Harmony 提供了 JDWP 的實現 而 JDI 我們可以在 Eclipse 一個子項目 eclipse jdt debug 里找到其完整的實現（Harmony 也使用了這套實現 作為其 J SE 類庫的一部分） 通過標准協議 Eclipse IDE 的調試工具就可以完全在 Harmony 的環境上運行

Java 調試介面的特點

Java 語言是第一個使用虛擬機概念的流行的編程語言 正是因為虛擬機的存在 使很多事情變得簡單而輕松 掌握了虛擬機 就掌握了內存分配 線程管理 即時優化等等運行態 同樣的 Java 調試的本質 就是和虛擬機打交道 通過操作虛擬機來達到觀察調試我們自己代碼的目的 這個特點決定了 Java 調試介面和以前其他編程語言的巨大區別

以C/C++ 的調試為例 目前比較流行的調試工具是 GDB 和微軟的 Visual Studio 自帶的 debugger 在這種 debugger 中 首先 我們必須編譯一個 debug 模式的程序 這個會比實際的 release 模式程序大很多 其次 在調試過程中 debugger 將會深層接入程序的運行 掌握和控制運行態的一些信息 並將這些信息及時返回 這種介入對運行的效率和內存佔用都有一定的需求 基於這些需求 這些 Debugger 本身事實上是提供了 或者說 創建和管理了一個運行態 因此他們的程序演算法比較復雜 個頭都比較大 對於遠端的調試 GDB 也沒有很好的默認實現 當然 C/C++ 在這方面也沒有特別大的需求

而Java 則不同 由於 Java 的運行態已經被虛擬機所很好地管理 因此作為 Java 的 Debugger 無需再自己創造一個可控的運行態 而僅僅需要去操作虛擬機就可以了 Java 的 JPDA 就是一套為調試和優化服務的虛擬機的操作工具 其中 JVMTI 是整合在虛擬機中的介面 JDWP 是一個通訊層 而 JDI 是前端為開發人員准備好的工具和運行庫

從構架上說 我們可以把 JPDA 看作成是一個 C/S 體系結構的應用 在這個構架下 我們可以方便地通過網路 在任意的地點調試另外一個虛擬機上的程序 這個就很好地解決了部署和測試的問題 尤其滿足解決了很多網路時代中的開發應用的需求 前端和後端的分離 也方便用戶開發適合於自己的調試工具

從效率上看 由於 Java 程序本身就是編譯成位元組碼 運行在虛擬機上的 因此調試前後的程序 內存佔用都不會有大變化（僅僅是啟動一個 JDWP 所需要的內存） 任意程度都可以很好地調試 非常方便 而 JPDA 構架下的幾個組成部分 JDWP 和 JDI 都比較小 主要的工作可以讓虛擬機自己完成

從靈活性上 Java 調試工具是建立在強大的虛擬機上的 因此 很多前沿的應用 比如動態編譯運行 位元組碼的實時替換等等 都可以通過對虛擬機的改進而得到實現 隨著虛擬機技術的逐步發展和深入 各種不同種類 不同應用領域中虛擬機的出現 各種強大的功能的加入 給我們的調試工具也帶來很多新的應用

總而言之 一個先天的 可控的運行態給 Java 的調試工作 給 Java 調試介面帶來了極大的優勢和便利 通過 JPDA 這個標准 我們可以從虛擬機中得到我們所需要的信息 完成我們所希望的操作 更好地開發我們的程序

結束語

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書名：深入理解Java虛擬機（第3版）

作者：周志明

豆瓣評分：9.5

出版社：機械工業出版社

出版年份：2019-12

頁數：540

內容簡介：

內容介紹

這是一部從工作原理和工程實踐兩個維度深入剖析JVM的著作，是計算機領域公認的經典，繁體版在台灣也頗受歡迎。

自2011年上市以來，前兩個版本累計印刷36次，銷量超過30萬冊，兩家主要網路書店的評論近90000條，內容上近乎零差評，是原創計算機圖書領域不可逾越的豐碑。

作者簡介：

資深Java技術、機器學習和企業級開發技術專家，現任遠光軟體研究院院長，人工智慧博士在讀，著有知名暢銷書《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》。

開源技術的積極倡導者和推動者，對計算機科學和相關的多個領域都有深刻的見解，尤其是人工智慧、Java開發和敏捷開發等領域。曾受邀在InfoQ和IBM DeveloperWorks等網站撰寫技術專欄。

著作頗豐，著有《深入理解Java虛擬機》《深入理解OSGi》，翻譯了《Java虛擬機規范》等著作。其中《深入理解Java虛擬機》第1版出版於2011年，已經出至第2版，不僅銷量好，而且口碑更好，累計印刷超過30次，仍長銷不衰，是中文計算機圖書領域公認的、難得一見的佳作。

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《深入理解Java虛擬機（第2版）》（周志明）電子書網盤下載免費在線閱讀

資源鏈接：

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書名：深入理解Java虛擬機（第2版）

作者：周志明

豆瓣評分：9.0

出版社：機械工業出版社

出版年份：2013-9-1

頁數：433

內容簡介：

《深入理解Java虛擬機:JVM高級特性與最佳實踐(第2版)》內容簡介：第1版兩年內印刷近10次，4家網上書店的評論近4?000條，98%以上的評論全部為5星級的好評，是整個Java圖書領域公認的經典著作和超級暢銷書，繁體版在台灣也十分受歡迎。第2版在第1版的基礎上做了很大的改進：根據最新的JDK 1.7對全書內容進行了全面的升級和補充；增加了大量處理各種常見JVM問題的技巧和最佳實踐；增加了若干與生產環境相結合的實戰案例；對第1版中的錯誤和不足之處的修正；等等。第2版不僅技術更新、內容更豐富，而且實戰性更強。

《深入理解Java虛擬機:JVM高級特性與最佳實踐(第2版)》共分為五大部分，圍繞內存管理、執行子系統、程序編譯與優化、高效並發等核心主題對JVM進行了全面而深入的分析，深刻揭示了JVM的工作原理。

第一部分從宏觀的角度介紹了整個Java技術體系、Java和JVM的發展歷程、模塊化，以及JDK的編譯，這對理解書中後面內容有重要幫助。

第二部分講解了JVM的自動內存管理，包括虛擬機內存區域的劃分原理以及各種內存溢出異常產生的原因；常見的垃圾收集演算法以及垃圾收集器的特點和工作原理；常見虛擬機監控與故障處理工具的原理和使用方法。

第三部分分析了虛擬機的執行子系統，包括類文件結構、虛擬機類載入機制、虛擬機位元組碼執行引擎。

第四部分講解了程序的編譯與代碼的優化，闡述了泛型、自動裝箱拆箱、條件編譯等語法糖的原理；講解了虛擬機的熱點探測方法、HotSpot的即時編譯器、編譯觸發條件，以及如何從虛擬機外部觀察和分析JIT編譯的數據和結果；

第五部分探討了Java實現高效並發的原理，包括JVM內存模型的結構和操作；原子性、可見性和有序性在Java內存模型中的體現；先行發生原則的規則和使用；線程在Java語言中的實現原理；虛擬機實現高效並發所做的一系列鎖優化措施。

作者簡介：

周志明，資深Java技術專家，對JavaEE企業級應用開發、OSGi、Java虛擬機和工作流等都有深入的研究，並在大量的實踐中積累了豐富的經驗。尤其精通Java虛擬機，撰寫了大量與JVM相關的經典文章，被各大技術社區爭相轉載，是ITeye等技術社區公認的Java虛擬機方面的領袖人物之一。除本書外，還著有經典著作《深入理解OSGi：Equinox原理、應用與最佳實踐》，廣獲讀者好評。現任遠光軟體股份有限公司開發部總經理兼架構師，先後參與過國家電網、南方電網等多個國家級大型ERP項目的平台架構工作，對軟體系統架構也有深刻的認識和體會。