JVM内核-原理、诊断与优化学习笔记（二）：JVM运行机制

文章目录

• JVM启动流程
• PC寄存器
• 方法区
• 保存装载的类信息
• 通常和永久区(Perm)关联在一起
• Java堆
• Java栈
• Java栈 – 局部变量表 ** 包含参数和局部变量 **
• Java栈 – 函数调用组成帧栈
• Java栈 – 操作数栈
• Java栈 – 栈上分配
• C++ 代码示例
• 堆上分配，每次需要清理空间
• 栈上分配，函数调用完成自动清理
• java代码
• 总结：
• 栈、堆、方法区交互
• 小例子
• JVM基本结构
• 内存模型
• volatile
• 内存模型的几个重要概念
• 可见性
• 保证可见性的方法
• 有序性
• 指令重排
• 指令重排 – 破坏线程间的有序性
• 指令重排 – 保证有序性的方法
• 指令重排的基本原则
• 编译和解释运行的概念（字节码运行的两种方式）
• 解释运行
• 编译运行（JIT--just in time）
• 编译和解释运行的概念

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。

编译和解释运行的概念