JVM技术专题深入研究JVM挖掘知识体系系列「补充篇」

Posted 2022-11-19 浩宇の天尚

JVM执行引擎的效率提升

JVM是如何在保证可移植性的前提下提供高执行效率的？

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Java跨平台性

Java程序最为常见的执行方式，是预先编译为一种名为 Java 字节码的中间代码格式。这种代码格式无法直接运行在 CPU 之上，而是需要借助 JVM 来执行。换句话说，只要某个平台提供了合乎JVM 规范的实现，它便能执行这份Java 字节码。这也就是我们经常说的“一次编写，到处运行”。

Java执行方式

主流的 OpenJDK/OracleJDK 中所提供的 JVM 叫做HotSpot。它同时采用了解释执行和即时编译。

• 解释执行就好比同声传译，JVM一边理解输入的字节码一边解释字节码生成机器码向CPU发出指令序列；
• 即时编译则是“磨刀不误砍柴工”，JVM 会在运行过程中将 热点代码编译成为可直接执行二进制代码。

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这种混合执行模式是建立在程序符合二八定律的假设上，即百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源。对于不常用代码，我们无需耗费时间将其编译成二进制代码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，JVM 则会花费时间将其编译为二进制代码，以达到理想的运行效率。

Java异常捕获

• 编译生成的Java字节码中，每个方法都附带一个异常表。异常表中的每一行均定义了一条异常执行路径，其中包括规定捕获范围的起始字节码索引、终止（不包含）字节码索引，异常处理代码的起始字节码索引，以及所捕获的异常类型。
• 当程序触发异常时，JVM会从上至下遍历异常表中的所有条目。当触发异常的字节码的索引值在某行异常表条目的捕获范围内，JVM 会判断所抛出的异常和该条目想要捕获的异常是否匹配。如果匹配，JVM 会将控制流转移至该条目所指向的异常处理代码。
• 上述异常捕获机制还被用于 finally 从句的实现。通常，Java程序的编译器javac会复制多份 finally 代码块，放置于生成的 Java 字节码之中，然后通过生成多行异常表条目，来实现完整的 finally 逻辑。

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Java反射调用

• 默认情况下，反射调用首先会被委派给native方法来进行。可想而知，其运行效率低下。当某个反射调用的调用次数达到 15 之后，JDK 代码断定该调用属于热点调用。
• 继而，JDK 将动态生成直接调用目标方法的字节码，并将反射调用的委派对象由原本的 native 方法实现切换至该动态生成的实现。这种方式的运行效率相对于 native 方法来说要高很多。
• 之所以 JDK 不从一开始便采用动态生成字节码的方式，主要是因为生成过程需要耗费一定的时间。对于那些整个生命周期中仅执行数次的反射调用，动态生成字节码将得不偿失。
• 然而，即便是直接调用目标方法的动态实现，其峰值性能也无法跟真正的直接调用相媲美。这背后涉及到即时编译中的虚方法内联。

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JVM垃圾回收

 目前 JVM 的主流垃圾回收器采取的都是可达性分析算法。

该算法的实质是将一系列被称为GC Roots的对象作为初始的存活对象合集，然后从该合集出发探索所有能够被该集合引用到的对象，并标记为存活对象。当标记阶段结束之后，未被标记到的对象便是可以清除的。

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传统的垃圾回收算法在标记、清除过程中需要中止其他应用线程，即所谓的 Stop-The-World。新型的垃圾回收算法，如 CMS、G1 以及 ZGC，尽可能地实现并发标记、清除，从而让Stop-The-World 的时间长度可控。

垃圾回收的另一基础思想则是分代回收。JVM 会将新生成的对象划为新生代，而将在多次垃圾回收中存活下来的对象划为老年代。JVM 会为不同的分代设置不同的回收算法，从而达到新生代多收集、快收集，老年代少收集、全收集的目标。

Java内存模型

现代计算机多为对称多处理器的体系架构。每个处理器均有独立的寄存器组和缓存（这在 Java 内存模型中被抽象为工作内存）；多个处理器可同时执行同一进程中的不同线程。

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不同线程可能访问同一变量或对象。如果任由编译器或处理器对这些访问进行优化，则很可能出现在单线程执行思维下无法想象的问题。因此，Java语言规范引入了Java内存模型，通过定义多项规则对编译器和处理器进行限制。

这些规则所体现的最为重要的属性便是可见性，即对某一变量的访问能否被同一线程的其他操作，或者不同线程所观测到。

Java内存模型引入了多种 happens-before 关系，以实现上述可见性。以volatile字段为例，对其的写操作 happens before这之后的读操作，也就是说，我们总能读到volatile字段的最新值。

JVM对象锁

重量级锁是最为基础、最为低效的对象锁实现。JVM会阻塞加锁失败的线程，并且在目标锁被释放的时候，唤醒这些线程。我们用等红灯作类比。Java线程进入阻塞状态相当于熄火停车，再次点火启动必然耗费时间。JVM 会在进入阻塞状态之前进行自旋，也就是怠速停车。如果目标锁能够在短时间内被释放出来，该线程便能够不进入阻塞状态，直接获取该锁。

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重量级锁针对的是多个线程同时竞争同一把锁的场景。在现实中，多个线程可能在不同时间段持有同一把锁。为了应对这种没有锁竞争的情况，JVM 采用了轻量级锁机制。在加锁时，JVM 将在锁对象处做标记，指向当前线程的栈上；在解锁时，上述标记会被清除。如果某线程在请求锁时，发现该锁为轻量级锁，并且指向另一线程所对应的栈，那么它会将该锁膨胀为重量级锁。

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偏向锁所应对的场景则更为乐观：至始至终只有一个线程请求某把锁。JVM 采取的做法是在第一次加锁时为锁对象做标记，使其指向当前线程的地址；在解锁时则不做任何操作。如果下一次请求该锁的仍是同一线程，便直接跳过标记过程；否则，JVM 会将该锁膨胀为轻量级锁。