Java代码是怎么运行的

Posted 2021-03-09 秋の枫

　　Java代码执行步骤

 

 

 

　　编译

　　Java文件通过JVM的编译器编译成字节码文件，有了字节码，JVM的类加载器就开始加载字节码文件。

        

 

　　解释器

　　解释器会将字节码转换成汇编指令，然后在转换成CPU可以识别的机器指令（下图是汇编指令转成机器码的案例）。解释器是软件实现的，他将字节码转换成汇编指令，可以实现同一份Java字节码在不同的硬件上运行，而将汇编指令转换成机器指令由硬件直接实现，所以他的速度会更快。JVM为了提升运行效率，会将某些热点代码，一次全部编译成机器指令再执行。也就是和解释执行对应的即时编译，即时编译的机器码存放在一个叫codecache的缓存的地方，这块内存属于堆外内存，如果这块内存不够了，那么即时编译器将不会再进行编译，可能造成程序运行变慢，这也是排查性能问题变慢的一个点。

 

　　

 

　　内存与CPU的配合

　　代码转换成了指令以后，指令必须要有上下文环境，这些环境包括：指令寄存器、数据寄存器、栈空间等内存资源（执行机制如下图）。程序被加载进内存以后，指令就在内存中了，指令的指针寄存器IP，指向内存中的下一条待执行指令的地址，CPU的控制单元根据IP寄存器的指向将主存中的指令装载到指令寄存器，这个指令寄存器也就是一个存储设备，不过他集成在CPU内部，指令从主存到达CPU后，只是一串010101的二进制串，还需要通过译码器进行解码，解码后根据运算类型，在从主存中获取操作数，并调用运算单元进行计算。 

       

　　我们的数据主要是存储在内存上，然而CPU的计算速度比主存的存取速度快很多倍，所以在两者之间会有多级高级缓存。例如当CPU有个指令是取主存上某一个值，CPU会根据这个值在主存上的位置，去判断是否已经在高速缓存中，如果没有就会去主存中取，取完再放在高速缓存中，这个地方会涉及到一个知识点，就是去主存上读取的时候，并不会仅仅读取一个值，而是把一段长度的值都拿出来并缓存，因为他会假设你既然读了某个位置的值，而这个位置相邻的值也会被读取，就像我们用SQL去查询id=800这行记录的时候，虽然它返回了id=800这行记录，实际上它去读这行记录的时候，把这行记录所在的数据页上的所有数据都放内存里面了，可能下次你去查询id=801行的那条记录的时候，直接就命中缓存，就不用去磁盘去查了，所以我们知道一个缓存行可能缓存了多个字段的值，如果某个进程改了其中一个值，就会导致一整个缓存都会失效，那么这个缓存行上的其他值也会重新从内存读取，所以一些对内存要求比较高的应用，就想规避掉这种情况，比如它们会用对象填充的方式，让某个字段的值可以独占一整个缓存行。

 　　指令执行

　　CPU一通上电就会不停的读取指令、运算，周而复始。CPU会给系统运行中的每一个进程都分配一个时间片，在这个时间片内执行对应的进程的指令，过了这个时间片就执行其他的进程，一个进程内的指令执行的顺序，靠每个指令执行完，再去指向下一个指令的位置。当然一个进程内的某些操作，也会主动放弃CPU的执行权限，比如等待IO的操作（如下图），所以为了让一个进程内的指令可以更高效的执行，我们可以让某个线程在等待IO的时候，其他线程能够获取到CPU的执行权限，并继续执行，如果你的任务都是计算型的任务，基本不会有主动释放CPU的情况，那么在单核机器上就没必要开多线程，如果有大量的IO操作那么多线程的效果就会比较好。

 

 

 

 　　内存的分配

　　一个JVM启动就会产生一个进程，虽然多个进程会共享一个物理内存，但是每个进程都会拥有自己独立的内存空间，当我们同时启动多个JVM并执行如下代码（下图），将会打印这个对象的hashCode，hashCode默认为内存的地址，最后我们发现它打印的都是Java.lang.Object@4fca772d，也就是说多个JVM进程返回的内存地址都是一样的，这说明每个进程都有单独的地址空间。

 

　　

 

 

 

 　　实际上每个进程自己都会维护一个虚拟的内存（参考下图），虚拟存储让每个进程以为自己独占整个内存空间，这样的好处是每个进程都拥有一直的虚拟地址空间，简化了内存管理，进程不需要和其他进程竞争内存空间，因为它是独占的，这也保护了各自进程不会被其他进程破坏。每个进程在申请内存的时候，会维护虚拟内存和物理内存的映射关系，避免其他进程占用自己的内存。

 

 

 

　　

　而这个虚拟内存空间可能会超过物理内存，当超过物理内存的时候，可能会发生数据溢出，从而存储到磁盘上。页表保存了虚拟地址和物理地址的映射（如下图），页表是一个数组，每一个元素为一个页的映射关系，这个映射关系可能是和主存的，也可能是和磁盘的，页表存储在主存中，也可能存储在缓冲区，我们将存储在高速缓冲区中的页称为TLAB。 

 

 

 

 

 Java反射获取对象属性

　　参考下图，它首先要获取这个属性相对对象初始位置的偏移量，如果你持有这个对象的引用，你就能获取到这个对象在虚拟内存中的起始地址，然后我们根据属性的偏移量，就可以获取这个属性的虚拟的内存地址，之后再查询页表就可以获取物理的内存的起始地址，接着再根据这个属性的类型取对应长度的数据。写入也是一样的道理，属性相对对象初始位置的偏移量，在加载这个class的时候就确认好了，它是和class绑定的，那么如果一个对象就一个属性，如果不压缩的话那么除了对象头占128位，这个属性的偏移量可能就是128，如果有多个属性JVM会对属性进行重排序和内存对齐，保证对象占用的大小是8的倍数，另一个作用就是保证一个属性的值，都在一个CPU缓存行中，不然一个属性值会一部分在缓存行A中，一部分在缓存行B中。

 

 关键点：

　　1.解释执行和即时编译的区别

　　2.CPU是如何访问内存里的数据

　　3.JVM里面是如何获取某个对象的属性值