深入JVM内核--JVM运行机制

JVM启动流程

JVM基本结构

• 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
• 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

• JDK6时，String等常量信息置于方法
  JDK7时，已经移动到了堆

• Java堆
• 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
• 
• Java栈
  • 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;
  }
   
  }

  

• 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);
  }

  

• Java栈 – 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

• public void method(){
  BcmBasicString str;
    ....
  }

  栈上分配，函数调用完成自动清理

• 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);
      }
  }

  JVM 参数

  -server -Xmx10m -Xms10m

  -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC

• 输出：5

• -server -Xmx10m -Xms10m

  -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC

• ……

  [GC 3550K->478K(10240K), 0.0000977 secs]

  [GC 3550K->478K(10240K), 0.0001361 secs]

  [GC 3550K->478K(10240K), 0.0000963 secs]

  564

• +DoEscapeAnalysis 启动逃逸分析，jvm优化方法局部变量在栈上分配，方法结束，栈回收。
• Java栈 – 栈上分配
  • 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下，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
  • 大对象或者逃逸对象无法栈上分配

• 栈、堆、方法区交互

• 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); 
  } 
  }

  

• 内存模型

  • 每一个线程有一个工作内存和主存独立

  • 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

• 
• 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

• 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

• 
• 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;
          ……
      }
  }
  }

  

• 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

• 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）
• 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