JVM内核-原理、诊断与优化学习笔记（二）：JVM运行机制
JVM启动流程
jvm.cfg JVM配置文件
JNIEnv提供了大量的和JVM交互的一些操作，比如findClass
PC寄存器
每个线程拥有一个PC寄存器
在线程创建时 创建
指向下一条指令的地址
执行本地方法时，PC的值为undefined
方法区
注意：
JDK6时，String等常量信息置于方法区
JDK7时，已经移动到了堆
保存装载的类信息
类型的常量池
字段，方法信息
方法字节码
通常和永久区(Perm)关联在一起
永久区(Perm)保存相对静止的数据，虽然类的数据在运行的过程当中可能会出现调整，比如说热加载，如果是热加载热替换的话，显然会有一个删除然后重新加载的过程，虽然这些信息可能会发生变动，但是应用层面的软件相比是比较稳定的，这样的稳定就是永久区，但是永久区并不是永远不会变的。
Java堆
跟方法区相比，方法区是jvm来维护的，而java堆所有代码中通过new出来的对象，基本上都是在java堆当中
- 和程序开发密切相关
- 应用系统对象都保存在Java堆中
- 所有线程共享Java堆
- 对分代GC来说，堆也是分代的
- GC的主要工作区间:
eden | s0 | s1 | tenured
eden对象出生的地方，s0 s1使用复制算法，tenured老年代。
Java栈
堆是全局共享的，栈是线程私有的
- 线程私有
- 栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫做帧栈）
- 帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针
- 每一次方法调用创建一个帧，并压栈
Java栈 – 局部变量表 包含参数和局部变量
public class StackDemo {
public static int runStatic(int i,long l,float f,Object o ,byte b){
return 0;
}
public int runInstance(char c,short s,boolean b){
return 0;
}
}
//runStatic静态方法的栈示意
//因为一个槽位只能容纳32位的大小，即int，所以int占了一个槽位，long（64位）占了两个槽位
//对象是引用reference（32位）
-----------------------
0 int int i
-----------------------
1 long long l
-----------------------
3 float float f
-----------------------
4 reference Object o
-----------------------
5 int byte b
-----------------------
//runInstance方法的示意
-----------------------
0 reference this
-----------------------
1 int char c
-----------------------
2 int short s
-----------------------
3 int boolean b
-----------------------
注意: runInstance和runStatic的区别是runInstance比runStatic多了一个自身的this引用。
Java栈 – 函数调用组成帧栈
public static int runStatic(int i,long l,float f,Object o ,byte b){
return runStatic(i,l,f,o,b);
}
-----------------------
0 int int i
-----------------------
1 long long l
-----------------------
3 float float f
-----------------------
4 reference Object o
-----------------------
5 int byte b
-----------------------
//上面为一个帧，省略：操作数栈、返回地址等。
-----------------------
0 int int i
-----------------------
1 long long l
-----------------------
3 float float f
-----------------------
4 reference Object o
-----------------------
5 int byte b
-----------------------
-----------------------
0 int int i
-----------------------
1 long long l
-----------------------
3 float float f
-----------------------
4 reference Object o
-----------------------
5 int byte b
-----------------------
每次方法调用就会有一个帧被压入栈，上面是一个递归调用，一直往上面压，一直到帧栈满了为止，发生溢出，方法调用结束了，帧又会自动从帧栈里面移除掉。
Java栈 – 操作数栈
Java没有寄存器，所有参数传递使用操作数栈
public static int add(int a,int b){
int c=0;
c=a+b;
return c;
}
0: iconst_0 // 0压栈
1: istore_2 // 弹出int，存放于局部变量2
2: iload_0 // 把局部变量0压栈
3: iload_1 // 局部变量1压栈
4: iadd //弹出2个变量，求和，结果压栈
5: istore_2 //弹出结果，放于局部变量2
6: iload_2 //局部变量2压栈
7: ireturn //返回
Java栈 – 栈上分配
C++ 代码示例
class BcmBasicString{ ....}
堆上分配，每次需要清理空间
public void method(){
BcmBasicString* str=new BcmBasicString; .... delete str;
}
上面的代码new是放在了堆里面，每次用完之后需要delete，如果忘记的会就会发生内存泄漏，这种错误是很难发现的。
栈上分配，函数调用完成自动清理
//声明出来的写法
public void method(){
BcmBasicString str;
....
}
java代码
public class OnStackTest {
public static void alloc(){
byte[] b=new byte[2];
b[0]=1;
}
public static void main(String[] args) {
long b=System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<100000000;i++){
alloc();
}
long e=System.currentTimeMillis();
System.out.println(e-b);
}
-server -Xmx10m -Xms10m
-XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC
这种方式运行
输出结果 5
-server -Xmx10m -Xms10m
-XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC
这种方式运行输出如下结果
……
[GC 3550K->478K(10240K), 0.0000977 secs]
[GC 3550K->478K(10240K), 0.0001361 secs]
[GC 3550K->478K(10240K), 0.0000963 secs]
564
说明方式一是在栈上面分配内存，方式二是在堆上分配内存，jvm内部是有相关的优化的，当数据量不是很大的时候，通过栈的方式分配，能够减小gc的压力。
总结：
- 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下（逃逸，即分配出来之后除了我的线程要用，其他的线程也要用的时候，因为栈是线程私有的。），可以直接分配在栈上
- 直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力（函数调用完成之后）
- 大对象或者逃逸对象无法栈上分配
栈、堆、方法区交互
小例子
JVM通过栈调用main方法，局部变量test1存放着Sample实例的引用，用过实例的引用去堆中找到Sample实例，Sample实例的相关信息在方法区中存放着。
public class AppMain
//运行时, jvm 把appmain的信息都放入方法区
{ public static void main(String[] args)
//main 方法本身放入方法区。 {
Sample test1 = new Sample( " 测试1 " );
//test1是引用，所以放到栈区里， Sample是自定义对象应该放到堆里面
Sample test2 = new Sample( " 测试2 " );
test1.printName(); test2.printName(); }
public class Sample
//运行时, jvm 把appmain的信息都放入方法区
{ private name;
//new Sample实例后， name 引用放入栈区里， name 对象放入堆里
public Sample(String name)
{ this .name = name; }
//print方法本身放入 方法区里。public void printName()
{ System.out.println(name); }
}
JVM基本结构
内存模型
- 每一个线程有一个工作内存和主存独立
这里的主存指的是堆内存，共享内存 - 工作内存存放主存中变量的值的拷贝
当数据从主内存复制到工作存储时，必须出现两个动作：第一，由主内存执行的读（read）操作；第二，由工作内存执行的相应的load操作；当数据从工作内存拷贝到主内存时，也出现两个操作：第一个，由工作内存执行的存储（store）操作；第二，由主内存执行的相应的写（write）操作
每一个操作都是原子的，即执行期间不会被中断
对于普通变量，一个线程中更新的值，不能马上反应在其他变量中
如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字
可以看到从工作内存到主存中是需要一定的时间的，所以当一个线程中更新了值的时候，不能够在其他的线程中立即可见。
volatile
public class VolatileStopThread extends Thread{
private volatile boolean stop = false;
public void stopMe(){
stop=true;
}
public void run(){
int i=0;
while(!stop){
i++;
}
System.out.println("Stop thread");
}
public static void main(String args[]) throws InterruptedException{
VolatileStopThread t=new VolatileStopThread();
t.start();
Thread.sleep(1000);
t.stopMe();
Thread.sleep(1000);
}
}
没有volatile -server 运行 无法停止
volatile 不能代替锁
一般认为volatile 比锁性能好（不绝对）
选择使用volatile的条件是：
语义是否满足应用
内存模型的几个重要概念
可见性
一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道
保证可见性的方法
volatile
synchronized （unlock之前，写变量值回主存）
final(一旦初始化完成，其他线程就可见)
有序性
在本线程内，操作都是有序的
在线程外观察，操作都是无序的。（指令重排 或 主内存同步延时）
指令重排
线程内串行语义
写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后，再读这个位置。
写后写 a = 1;a = 2; 写一个变量之后，再写这个变量。
读后写 a = b;b = 1; 读一个变量之后，再写这个变量。
以上语句不可重排
编译器不考虑多线程间的语义
可重排： a=1;b=2;
指令重排 – 破坏线程间的有序性
class OrderExample {
int a = 0;
boolean flag = false;
public void writer() {
a = 1;
flag = true;
}
public void reader() {
if (flag) {
int i = a +1;
……
}
}
}
线程A首先执行writer()方法
线程B线程接着执行reader()方法
线程B在int i=a+1 是不一定能看到a已经被赋值为1
因为在writer中，两句话顺序可能打乱
线程A
flag=true
a=1
线程B
flag=true(此时a=0)
指令重排 – 保证有序性的方法
class OrderExample {
int a = 0;
boolean flag = false;
public synchronized void writer() {
a = 1;
flag = true;
}
public synchronized void reader() {
if (flag) {
int i = a +1;
……
}
}
}
同步后，即使做了writer重排，因为互斥的缘故，reader 线程看writer线程也是顺序执行的。在线程A执行完之前，线程B是进不来的。
线程A
flag=true
a=1
线程B
flag=true(此时a=1)
指令重排的基本原则
程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性
volatile规则：volatile变量的写，先发生于读
锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)前
传递性：A先于B，B先于C 那么A必然先于C
线程的start方法先于它的每一个动作
线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）
线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码
对象的构造函数执行结束先于finalize()方法
编译和解释运行的概念（字节码运行的两种方式）
解释运行
解释执行以解释方式运行字节码
解释执行的意思是：读一句执行一句
编译运行（JIT–just in time）
将字节码编译成机器码
直接执行机器码
运行时编译
编译后性能有数量级的提升
编译执行和解释执行性能应该差十倍以上。