深入JVM内核（二）——JVM运行机制

由于之前看的容易忘记，因此特记录下来，以便学习总结与更好理解，该系列博文也是第一次记录，所有有好多不完善之处请见谅与留言指出，如果有幸大家看到该博文，希望报以参考目的看浏览，如有错误之处，谢谢大家指出与留言。

一、目录

JVM启动流程

JVM基本结构

内存模型

编译和解释运行的概念

二、JVM启动流程

jvm启动的时候一定是由java命令，或者javaw命令；java启动命令会跟一个启动类Java XXX，启动类会有main方法，当通过java启动jvm时首先第一步是装载配置，他会在当前路径和系统版本寻找JVM配置config文件然后找到配置文件之后他会定位所需要的dll（JVM.dll就是java虚拟机主要实现了）；在找到匹配当前系统版本的dll之后，就会使用这个dll去初始化jvm虚拟机；获得相关的接口，比如JNIEnv接口，这个接口提供了大量跟JVM交互的操作（比如查找一个类的时候，就用该接口），然后找到main方法就开运行了；

运行原理：

Java代码的编译和执行的整个过程大概是：开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行（jvm的执行引擎执行）。

三、JVM基本结构

首先java虚拟机有个类加载器，就是classload,把java的class文件加载到jvm内存中去。

1、PC寄存器（是指每一个线程拥有一个pc寄存器，pc寄存器总是指向下一条指令的地址，那么程序在执行时就知道下一步该执行哪一步。在执行本地方法时，pc寄存器是未定义的）

    （1）、每个线程拥有一个PC寄存器

    （2）、在线程创建时 创建

    （3）、指向下一条指令的地址

    （4）、执行本地方法时，PC的值为undefined

2、方法区作用

    （1）、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

但上面所说的并不是一定的。在JDK6与7字符串常量就发生了变化，由此可看，保存什么信息跟jdk版本有关。

      JDK6时，String等常量信息置于方法

      JDK7时，已经移动到了堆

 （2）、通常和永久区(Perm)关联在一起（永久区并不是一直存在的）

       注：JDK8中已经把持久代（PermGen Space） 干掉了，取而代之的元空间（Metaspace）。Metaspace占用的是本地内存，不再占用虚拟机内存。

3、Java堆

    （1）、和程序开发密切相关

    （2）、应用系统对象都保存在Java堆中

    （3）、所有线程共享Java堆

    （4）、对分代GC来说，堆也是分代的

    （5）、GC的主要工作区间

分代的堆如下：

4、Java栈

    （1）、线程私有

    （2）、栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫做帧栈）先进后出的数据结构

    （3）、帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针

    （4）、每一次方法调用创建一个新的帧，并压栈

 4.1、Java栈 – 局部变量表 并不是指函数中的变量，他包含参数和局部变量

4.2、Java栈 – 函数调用组成帧栈

当方法被调用时，就会有一个帧往这个栈中去压，每执行一个方法，就往下，直到这个帧栈逆出。如果方法结束，那么这个帧栈就消除。

 

4.3、Java栈 – 操作数栈

           — Java没有寄存器，所有参数传递使用操作数栈

第五步中放入局部变量指的是C变量。

4.4、Java栈 – 栈上分配

首先分配一个方法，就是通过new创建一个对象，执行完之后就清除，但是new操作对象是放在堆上的，但堆上分配需要手动清除，一旦量变大就会，就会发生某个分配的对象空间没有删，会发生内存泄漏，但这个问题是非常解决的，因为他是全局的，可能发生在任何地方。但c++中还可以使用第二种直接生名一个对象，如右图。这时候得到的对象不是一个指针，而是一个对象引用。后面操作完，就不需要去手动清除。这种情况得到的对象时在栈上的，因为这是局部变量，局部变量是分配在栈上的，所以这就是C++上的栈上分配；所在在栈上分配好处就不可能发生内存泄漏。

对于成员变量和局部变量：成员变量就是方法外部，类的内部定义的变量；局部变量就是方法或语句块内部定义的变量。局部变量必须初始化。
局部变量的数据存在于栈内存中。栈内存中的局部变量随着方法的消失而消失。
成员变量存储在堆中的对象里面，由垃圾回收器负责回收

因此可以把这个思想借鉴到java中。

java代码示例：

如右上第一个如方式执行，发现结果时5，从分配开始到结束就消耗了5毫秒；在按照下面配置执行，发现出现大量gc信息输出，这就说明在第二次执行时中，这些byte数组就是在堆上分配的，而且分配当中由于内存不足，所以他就做gc回收，打印gc信息；第一次他并没有进行gc,也就说明他并没有在堆上进行分配，因为在堆上分配是分配不了这么多内容的。所以可以得到，第一种在栈上分配，这就是java栈上分配；当分配的所需要数据不是很大，虚拟机才会做一些优化，这样导致虚拟机性能就会加快，提高性能，因为在栈上分配，gc压力就会很小。

Java栈 – 栈上分配总结：

栈分配好处：一般只能分配小对象，因为栈的空间并没有堆那么大，每个线程拥有一个栈，线程一多栈的空间就会很多，还有其他好处如下：

（1）、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

（2）、直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力

（3）、大对象或者逃逸对象无法栈上分配

5、栈、堆、方法区交互

main是主线程，那么他就有一个栈，当main调用时就会创建test1，test1是局部变量，作为对象的引用，即Sample类信息存放情况：堆中只是存放对象，栈存放的事对象的引用。类的信息描述以及类方法的实际字节码是存在方法区的，堆中只是存放这个类的实例；因此：关系是，由栈指向堆，而堆的一些信息需要到方法区去存取。

例子：

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        System.out.println(a.width);
    }
}

class A{
    public static int width=100; //静态变量，静态域 field
    static{
        System.out.println("静态初始化类A");
        width = 300 ;
    }
    public A() {
        System.out.println("创建A类的对象");
    }
}

 

说明：

内存中存在栈、堆（放创建好的对象）、方法区（实际也是一种特殊堆）

1、JVM加载Demo01时候，首先在方法区中形成Demo01类对应静态数据（类变量、类方法、代码…），同时在堆里面也会形成java.lang.Class对象（反射对象），代表Demo01类，通过对象可以访问到类二进制结构。然后加载变量A类信息，同时也会在堆里面形成a对象，代表A类。

2、main方法执行时会在栈里面形成main方法栈帧，一个方法对应一个栈帧。如果main方法调用了别的方法，会在栈里面挨个往里压，main方法里面有个局部变量A类型的a，一开始a值为null，通过new调用类A的构造器，栈里面生成A（）方法同时堆里面生成A对象，然后把A对象地址付给栈中的a,此时a拥有A对象地址。

3、当调用A.width时，调用方法区数据。

当类被引用的加载，类只会加载一次

• 类的主动引用（一定会发生类的初始化）
  • new一个类的对象
  • 调用类的静态成员（除了final常量）和静态方法
  • 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用
  • 当虚拟机启动，java Demo01,则一定会初始化Demo01类，说白了就是先启动main方法所在的类
  • 当初始化一个类，如果其父类没有被初始化，则先初始化它父类
• 类的被动引用（不会发生类的初始化）
  • 当访问一个静态域时，只有真正声名这个域的类才会被初始化
    • 通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化
  • 通过数组定义类的引用，不会触发此类初始化
  • 引用常量不会触发此类的初始化（常量在编译阶段就存入调用类的常量池中了）

 

6、内存模型

 

可以理解如下：

    (1)、每一个线程有一个工作内存和主存独立（主存共享的内存区间，可以理解为堆空间；由性能考虑，每个线程都拥有一个工作内存；工作内存和主存需要同步关系的，很多变量在主存有原始变量，在工作内存中他拥有一些原始变量的一些拷贝，因此工作内存与主存之间可以做一些同步）

    (2)、工作内存存放主存中变量的值的拷贝

如下：

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（是指在read中间不会被终断的），即执行期间不会被中断，在read和load之间存在终断的
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变量中，在这个模型看出，如果两个线程，每个线程都直接读取和存取都在线程的工作内存中，然后线程工作内存在到主存都会存在一定时差的；而这个时差就说明当一个变量改变某值后，不能让另一个线程马上知道的。
   如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字，做标识。如下：在JMM中就存在延时和误差。

7、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);
}
}

    (1).如果没有volatile 使用-server 运行，发现这个循环线程永远不会停止的，因为这个VolatileStopThread线程永远只在自己的本地存取间本地存取区执行；没有办法做到更新。

    (2).volatile 不能代替锁     一般认为volatile 比锁性能好（不绝对），因为比重量级锁好，但在Java中对锁做了大量的优化的

     volatile是不能代替锁的，因为他也是线程不安全的，如果有多个线程对这个变量操作他是线程不安全的， 选择使用volatile的条件是：语义是否满足应用。

7.1、可见性

        一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道

7.2、保证可见性的方法

        1、volatile

       2、synchronized （unlock之前，写变量值回主存）做线程间的同步，

       3、final(一旦初始化完成，其他线程就可见)，被定义一些常量，常量在初始化后其他线程就是可见的。

7.3、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。（无需可能性包块：指令重排 或 主内存同步延时）

7.4、指令重排
        1、 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

            所以重排是看他是否有意义。同时线程内串行语义；也就是无关连得。

           >但编译器不考虑多线程间的语义，如下面例子：

           >可重排： a=1;b=2;

指令重排与可见性具体原理请看：java高并发实战（三）——Java内存模型和线程安全

7.5、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

因为在两个线程他是无需的，编译器是无法保证的，因为线程A完全可能执行，他们是没有关联的，然后在只在在执行线程B,编译器认为先执行线程A和线程B顺序是一样的。这就是线程之间指令重排就破坏的线程之间有序性。但有时需要线程间的有序性，因此下面介绍指令重排保证有序性方法。

7.6、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;      
        ……
    }
}
}
synchronized void writer() {
    a = 1;                   
    flag = true;           
}

public synchronized void reader() {
    if (flag) {                
        int i =  a +1;      
        ……
    }
}
}

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AB不再是同一级别的，不再是平行的了，属于串行阶段。

7.7、指令重排的基本原则

    1.程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性  比如：a=4;  b=a+2;

    2.volatile规则：volatile变量的写，先发生于读

    3.锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)前

    4.传递性：A先于B，B先于C 那么A必然先于C

    5.线程的start方法先于它的每一个动作

    6.线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）

    7.线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码

    8.对象的构造函数执行结束先于finalize()方法

8、下面介绍下java字节码的运行方式：

（1）、解释运行(读一句执行一句)
            a、解释执行以解释方式运行字节码
            b、 解释执行的意思是：读一句执行一句
（2）、 编译运行（JIT=即时编译）（是在运行时将字节码在运行当中编译成机器码）
            a、 将字节码编译成机器码
            b、 直接执行机器码
            c、  编译是在：运行时编译

            d、 编译后性能有数量级的提升

编译后的性能是非常高的；保守估计解释执行性能差于编译执行的10倍。

参考资料：https://www.cnblogs.com/dooor/p/5289994.html

https://www.jianshu.com/p/b91258bc08ac

https://blog.csdn.net/qq_25235807/article/details/61920877

http://raising.iteye.com/blog/2377709

其他学习附带延伸：

记一次PERM区内存泄漏

JVM调优：PermSpace溢出

解密Java内存溢出之持久代

jvm 堆栈方法区数据存放和操作流程