JVM 相关知识

Posted 2022-12-14 Lee_Sung

• JVM运行机制
  • 1 JVM启动流程
  • 2 JVM基本结构
    • 21 PC寄存器
    • 22 方法区
    • 23 Java堆
    • 24 Java栈
    • 25 栈堆方法区交互
  • 3 内存模型
    • 31 volatile关键字
    • 32 几个概念
  • 4 字节码执行的两种方式编译运行与解释运行

JVM运行机制

1.1 JVM启动流程

java *（启动类，含有main方法）命令或javaw命令来启动。启动过程如下：

1、装载配置：在当前路径中寻找配置文件（根据当前路径和系统版本寻找jvm.cfg）；

2、根据配置寻找JVM.dll文件（JVM的主要实现）；

3、初始化JVM，获得JNIEnv接口（JNIEnv接口为JVM接口，findClass等操作通过它实现）；

4、找到main方法，开始运行。

1.2 JVM基本结构

1.2.1 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

1.2.2 方法区

• 保存装载的类信息（保存类的元信息，对类进行描述）
  
  • 类型的常量池（JDK6时，String等常量信息置于方法区，JDK7时，已经移动到了堆区）
  • 字段，方法信息
  • 方法字节码
• 通常和永久区（Perm）关联在一起

1.2.3 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

1.2.4 Java栈

• 1、线程私有
• 2、栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫作帧栈）
• 3、帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针
• 4、每一次方法调用都会创建一个帧，并压栈
• 5、局部变量表——包含函数的参数和局部变量

public class StackDemo
  //每个槽位最大能容纳32位的数据类型，long是64位，引用类型相当于是指针，占32位
  public static int runStatic(int i, long l, float f,Object o,byte b)
    return 0;
  
  //实例方法与静态方法有一个区别是：第一个槽位是当前对象的一个引用（this）
  public int runInstance(char c,short s,boolean b)
    return 0;
   

- 6、函数调用组成帧栈

public static int runStatic(int i, long l, float,Object o,byte b)
  return runStatic(i,l,f,o,b);

​ 每一块是一个帧，方法调用结束，帧就移调（这里省略了操作数栈、返回地址等）。

• 7、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（c变量）
//2:iload_0 //把局部变量0（a变量）压栈
//3:iload_1 //把局部变量1（b变量）压栈
//4:iadd    //弹出2个变量，求和，结果压栈
//5:istore_2    //弹出结果，存放于局部变量2
//6:iload_2 //局部变量2压栈
//7:ireturn //返回

• 栈上分配
  
  • 堆上分配，用完之后需要手动删除（否则易导致内存泄漏）；Java中局部变量在栈上分配，函数调用完成自动清理
  • 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸（对象分配出来除了在该线程上用，还要在别的线程上用）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（因为栈是线程私有的，有逃逸的时候，对象会被别的线程共享，所以该对象不能分配在栈上）

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);
  

//以下参数运行不会有GC
//-server -Xmx10m -Xms10m
//-XX:+DoescapeAnalysis -XX:+PrintGC
//以下参数运行会发生GC，且是在堆上分配
//-server -Xmx10m -Xms10m
//-XX:-DoescapeAnalysis -XX:+PrintGC 

1.2.5 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); 
   

1.3 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

1、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。

2、每一个操作都是原子的，即执行期间不会被中断。

3、对于普通变量，一个线程中更新的值，不能马上反应在其他线程中。（线程直接读取和存储的是线程的工作内存，工作内存到主存是有时差的）

4、如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字。（直接到主存中拿数据）

1.3.1 volatile关键字

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。

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);
    

1.3.2 几个概念

• 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;

Eg.

1、指令重排——破坏线程间的有序性

/*
    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 时不一定能看到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）
*/
class OrderExample 
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void writer() 
        a = 1;                   
        flag = true;           
    
    public void reader() 
        if (flag)                 
            int i =  a +1;      
            //……
        
    

2、指令重排——保证有序性的方法

/*
    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。

    线程A
    flag=true
    a=1

    线程B
    flag=true(此时a=1)
*/
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

1.4 字节码执行的两种方式——编译运行与解释运行

• 解释执行
  
  • 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