JVM 学习笔记 1. JVM 运行模型

目录

1. JVM 启动流程
2. JVM 基本结构
3. 内存模型
4. 虚拟机的运行方式

1. JVM 启动流程

如下图所示：

2. JVM 基本结构

两幅经典的模型图：

其中：

1. PC寄存器：每个线程都拥有一个PC寄存器，用于指向下一条指令的地址，因此，PC是线程私有的内存。当执行 native 方法时，PC的值为undefined。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定 OOM 的区域。
2. Java 栈：是线程私有的，栈是由一系列帧（frame）组成。JVM 是 Stack-Based 的，栈帧中保存：方法的返回值（Return Value），局部变量表(Local variables)，操作数栈（Operand Stack）和常量池指针(Constant Pool Refernce)。其中，局部变量表包含了参数和局部变量(槽)。两个经典的异常：StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。
3. 本地方法栈：JVM 执行 Native 方法所使用的栈，HotSpot 直接将 Java 栈和 Native 栈合二为一。
4. Java 堆：用于保存应用程序对象实例，被所有线程所共享，是发生 GC 的主要区域。对于分代 GC 而言，堆也是分代的：新生代和老年代。Java 堆可能划分出多个线程私有的分配缓存区(TLAB, Thread Local Allocation Buffer)。
5. 方法区：被各个线程共享。用来存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、方法的字节码等数据。别名是 Non-Heap，在 HotSpot 中，方法区经常被称为永久代(PermG)，因为HotSpot将分代延生到方法区，该区域也可尽心回收。值得注意的是，JDK1.7的HotSpot已经将Interned Strings(字符串常量池)移出永久代。
6. 运行时常量池(Runtime Constant Pool)：方法区的一部分。主要用来存放编译期生成的各种字面量和符号引用，当然，运行时也可以将新的常量放入池中，如：String.intern()方法。
7. 直接内存(Direct Memory)：不是 JVM 运行时数据区的一部分，没有在虚拟机规范中定义该内存区域。NIO 利用 Native 函数库直接分配堆外内存，避免了Java堆和 堆外内存的来回复制，提高了性能。

栈的执行过程

JVM 没有寄存器(除PC)，所有的参数传递都使用操作数栈。

public static int add(int a,int b){
    int c = 0;
    c = a + b;
    return c;
}

编译之后，注意操作数栈如何实现参数传递。

 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

局部变量表和操作数栈的变化过程：

栈上分配

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);
    }
}

默认运行，采用了栈上分配了. 测试结果：

➜  jvm-learning  java com.nil2inf.memory.OnStackTest 
52
➜  jvm-learning  java -server -Xmx10m -Xms10m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC com.nil2inf.memory.OnStackTest
40
➜  jvm-learning  java -server -Xmx10m -Xms10m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC com.nil2inf.memory.OnStackTest
[GC 2624K->432K(9856K), 0.0014784 secs]
[GC 3056K->416K(9856K), 0.0006314 secs]
[GC 3040K->432K(9856K), 0.0004287 secs]
[GC 3056K->416K(9728K), 0.0003950 secs]
... ...
[GC 3280K->400K(9984K), 0.0001506 secs]
[GC 3280K->400K(10048K), 0.0001993 secs]
[GC 3408K->400K(10048K), 0.0001092 secs]
... ...
[GC 3664K->400K(10176K), 0.0001128 secs]
582

栈上分配：

• 栈上分配、标量替换技术是JVM的一项优化技术，涉及到逃逸分析和标量替换。
• 通常只有没有逃逸的小对象，才可以栈上分配。反之，大对象或者逃逸对象无法栈上分配。
• 栈上分配的目的是减清 GC 的压力。

3. 内存模型

1. 每一个线程有一个工作内存和主内存独立。
2. 工作内存存放主存中变量的值的拷贝。
3. 原子操作。
   read and load 从主存复制变量到当前工作内存
   use and assign 执行代码，改变共享变量值
   store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容
4. 使用 volatile 关键字能够保证变量更改在其他线程立即可见。

可见性

一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道。

如何确保可见性:

• 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）。

重排序

指令重排序。

4. 虚拟机的运行方式

虚拟机中存在两种运行方式：分为解释和编译。

字节码指令编译为本机机器指令过程，有解释器或者编译器完成.

a. 解释
解释是最简单的字节码编译形式. 解释器查找每条字节码指令对应的硬件编码，再由 CPU 执行相应的硬件指令。

这个过程可以准确执行字节码，没有机会对某个指令集合进行优化，难以发挥目标平台处理器的最佳性能。

b. 编译
编译执行应用程序时，编译器会将加载运行时会用到的全部代码. 因为编译器可以将字节码编译为本地代码，因此它可以获取到完整或部分运行时上下文信息，并依据收集到的信息决定到底应该如何编译字节码。

可以对指令集合进行优化，优化后的指令集合会被存储到 code cache 的数据结构中，当下次执行这部分字节码序列时，会执行这些经过优化后被存储到code cache的指令集合。在某些情况下，性能计数器会失效，并覆盖掉先前所做的优化，这时，编译器会执行一次新的优化过程。
使用code cache的好处是优化后的指令集可以立即执行.

c. 优化
随着动态编译器一起出现的是性能计数器。

例如，编译器会插入性能计数器，以统计每个字节码块（对应与某个被调用的方法）的调用次数。 -- 代码的热度.

运行时数据监控有助于编译器完成多种代码优化工作，进一步提升代码执行性能。