jdk8和hotspot_HotSpot和OpenJDK入门

jdk8和hotspot

在本文中，我们将从虚拟机（VM）的角度以及与之交互的角度研究如何开始在HotSpot Java虚拟机上工作以及如何在OpenJDK开源项目中实现它。 Java类库。

HotSpot来源简介

让我们看一下JDK源代码以及其中包含的Java概念的实现。 检查源代码有两种主要方法：

• 现代IDE可以附加src.zip（来自$ JAVA_HOME），以允许从IDE进行访问，或者
• 使用OpenJDK源代码并浏览文件系统。

两种方法都很有用，但重要的是要同时适应第二种方法和第一种方法。 OpenJDK源代码存储在Mercurial（类似于无处不在的Git版本控制系统的分布式版本控制系统。）中，如果您不熟悉Mercurial，则可以免费获得一本名为“ 版本控制示例 ”的书，其中涵盖了基础知识。

要检出OpenJDK 7源代码，请安装Mercurial命令行工具，然后：

汞克隆http://hg.openjdk.java.net/jdk7/jdk7 jdk7_tl

这将生成OpenJDK存储库的本地副本。 此仓库具有项目的基本布局，但尚未包含所有文件-因为OpenJDK项目分布在多个子存储库中。

初始克隆后，本地存储库将如下所示：

ariel-2:jdk7_tl boxcat$ ls -l
total 664
-rw-r--r--  1 boxcat staff   1503 14 May 12:54 ASSEMBLY_EXCEPTION
-rw-r--r--  1 boxcat staff  19263 14 May 12:54 LICENSE
-rw-r--r--  1 boxcat staff  16341 14 May 12:54 Makefile
-rw-r--r--  1 boxcat staff   1808 14 May 12:54 README
-rw-r--r--  1 boxcat staff 110836 14 May 12:54 README-builds.html
-rw-r--r--  1 boxcat staff 172135 14 May 12:54 THIRD_PARTY_README
drwxr-xr-x 12 boxcat staff    408 14 May 12:54 corba
-rwxr-xr-x  1 boxcat staff   1367 14 May 12:54 get_source.sh
drwxr-xr-x 14 boxcat staff    476 14 May 12:55 hotspot
drwxr-xr-x 19 boxcat staff    646 14 May 12:54 jaxp
drwxr-xr-x 19 boxcat staff    646 14 May 12:55 jaxws
drwxr-xr-x 13 boxcat staff    442 16 May 16:01 jdk
drwxr-xr-x 13 boxcat staff    442 14 May 12:55 langtools
drwxr-xr-x 18 boxcat staff    612 14 May 12:54 make
drwxr-xr-x  3 boxcat staff    102 14 May 12:54 test

接下来，您应该运行get_source.sh脚本，该脚本在初始克隆的一部分中已被下拉。 这将填充项目的其余部分，并克隆实际构建OpenJDK所需的所有文件。

在深入讨论源代码之前，重要的是要说：“不要害怕平台源代码”。 开发人员经常认为JDK源代码必须令人敬畏且难以理解。 毕竟，它是平台的核心。

JDK源代码是可靠的，经过全面审查和测试的； 但非常平易近人。 特别是，该源代码并不一定总是始终采用最新的Java语言功能。 因此，很常见的是在内部中找到仍未生成的类，这些类始终使用原始类型。

您应该熟悉JDK源代码的几个主要存储库：

杰克

这是类库所在的位置。 这些大多是Java（带有一些用于本机方法的C代码）。 这是进入OpenJDK源代码的一个很好的起点。 JDK的类在jdk / src / share / classes中

热点

HotSpot VM-这是C / C ++和汇编代码（带有一些基于Java的VM开发工具）。 它相当先进，如果您不是C / C ++的核心开发者，那么可能会有些困难。 稍后，我们将更详细地讨论其中的一些好的方法。

langtools

对于对编译器和工具开发感兴趣的人，可以在这里找到语言和平台工具。 大多数情况下是Java和C代码-不像jdk代码那样容易获得，但是大多数开发人员应该可以使用。

对于大多数开发人员来说，还有其他一些可能不太重要或不感兴趣的存储库，涵盖了诸如corba，jaxp和jaxws之类的东西。

构建OpenJDK

Oracle最近启动了一个项目，对OpenJDK进行彻底的检查，并简化了构建基础结构。 这个名为“ build-dev”的项目现已完成，它是构建OpenJDK的标准方法。 对于基于Unix的系统上的许多用户而言，构建现在就像安装编译器和“ bootstrap JDK”，然后运行三个命令一样简单：

./configure
make clean
make images

有关构建自己的OpenJDK并开始对其进行黑客攻击的更多详细信息， AdoptOpenJDK程序 （由伦敦Java社区创建）是一个不错的起点-它是由将近100个草根开发人员组成的社区，他们从事警告清理，小型项目OpenJDK 8与主要开源项目的错误修复和兼容性测试。

了解HotSpot运行时环境

OpenJDK提供的Java运行时环境包括HotSpot JVM和类库（这些类库大量捆绑到rt.jar中）。

由于Java是可移植的环境，因此需要调用操作系统的所有内容最终都由本机方法处理。 另外，某些方法需要JVM的特殊支持（例如，类加载）。 它们也可以通过本地调用传递给JVM。

例如，让我们看一下原始Object类的本机方法的C源代码。 Object的本地源包含在jdk / src / share / native / java / lang / Object.c中，它有六个方法。

Java本机接口（JNI）通常要求以一种非常特定的方式来命名本机方法的C实现。 例如，本机方法Object :: getClass（）使用通常的命名约定，因此C实现包含在具有以下签名的C函数中：

Java_java_lang_Object_getClass(JNIEnv *env, jobject this)

JNI还有另一种加载本机方法的方式，由java.lang.Object的其余五个本机方法使用：

static JNINativeMethod methods[] = {
     {"hashCode",     "()I",                  (void *)&JVM_IHashCode},
     {"wait",         "(J)V",                 (void *)&JVM_MonitorWait},
     {"notify",       "()V",                  (void *)&JVM_MonitorNotify},
     {"notifyAll",    "()V",                  (void *)&JVM_MonitorNotifyAll},
     {"clone",        "()Ljava/lang/Object;", (void *)&JVM_Clone},
};

这五个方法使用registerNatives（）机制（允许开发人员将Java本机方法映射到C函数名称）映射到JVM入口点（由C方法名称上的JVM_前缀指定）。

总体情况是，Java运行时环境尽可能用Java编写，只有很少的地方需要使用JVM。 除了执行代码外，JVM的主要工作是对活动Java对象的运行时表示所在的环境（Java堆）进行内部维护和维护。

OOP和KlassOOP

堆中的任何Java对象都由普通对象指针（OOP）表示。 OOP是C / C ++意义上的真正指针-指向Java堆中内存位置的机器字。 根据JVM进程的虚拟地址空间，将Java堆分配为单个连续的地址范围，然后由JVM进程本身纯粹在用户空间内管理内存，除非JVM由于任何原因需要调整堆大小。

这意味着Java对象的创建和收集通常不涉及分配或取消分配内存的系统调用。

OOP由标头的两个机器字组成，分别称为Mark和Klass字，后跟该实例的成员字段。 数组在字段之前有一个额外的标头字-数组的长度。

稍后我们将对Mark和Klass词有更多的话要说，但是它们的名称是故意暗示的-Mark词用于垃圾收集（在mark-and-sweep的mark部分），而Klass词用作指向类元数据的指针。

实例的字段以非常特定的顺序排列在OOP标头后面的字节中。 有关确切的详细信息，请阅读Nitsan Wakart的优秀博客文章“ Know thy Java Object Memory Layout ”。

基本字段和引用字段都放在OOP标头之后-对象引用当然也是OOP。 让我们看一个示例，Entry类（在java.util.HashMap中使用）

static class Entry implements Map.Entry {
    final K key;
    V value;
    Entry next;
    final int hash;

// methods...

}

现在，让我们计算一个Entry对象的大小（在32位JVM上）。

标头包含一个标记字和一个Klass字，因此OOP标头在32位上为8个字节（在64位HotSpot上为16个字节）。

使用OOP的定义，总大小为2个机器字+所有实例字段的大小

引用类型的字段显示为指针-这将是任何理智的处理器体系结构上的机器字大小。

因此，由于我们有一个int字段，两个引用字段（引用类型为K和V的对象）和一个Entry字段，所以总大小为2个单词（标题）+1个单词（int）+ 3个单词（指针）

这总共是24个字节（6个字），用于存储单个HashMap.Entry对象。

克拉斯

标头的分类词是OOP的最重要部分之一。 它是此类的元数据（表示为称为klassOop的C ++类型）的指针。 在此类元数据中，尤其重要的是此类的方法，这些方法表示为C ++虚拟方法表（“ vtable”）。

我们不希望每个实例都包含其方法的所有细节-这会非常低效-因此在klassOop上使用vtable是在实例之间共享该信息的好方法。

还需要注意的是，klassOops与类加载操作产生的Class对象不同。 两者之间的区别可以概括为：

• 类对象（例如String.class）只是普通的Java对象-它们像其他任何Java对象（instanceOops）一样表示为OOP，并且具有与其他任何对象相同的行为，并且可以将它们放入Java变量中。
• klassOops是类元数据的JVM表示-它们在vtable结构中承载类的方法。 无法直接从Java代码获得对klassOop的引用-它们位于堆的Permgen区域中。

记住这种区别的简单方法是将klassOop视为相关类的Class对象的JVM级“镜像”。

虚拟派遣

klassOops的vtable结构与Java的方法分派和单一继承直接相关。 请记住，默认情况下，Java的实例方法调度是虚拟的（因此，将使用要调用的实例对象的运行时类型信息来查找方法）。

这通过使用“恒定vtable偏移量”在klassOop vtables中实现。 这意味着覆盖方法在vtable中与被覆盖的父（或祖父母等）中的实现在相同的偏移量处。

通过简单地沿继承层次结构（从类到超类再到超超类的跟踪）并寻找始终在相同vtable偏移量处实现该方法的方法，就可以轻松实现虚拟调度。

例如，这意味着toString（）方法对于每个类始终处于相同的vtable偏移量。 此vtable结构有助于单继承，并且在JIT编译代码时还可以进行一些非常强大的优化。

（点击图片放大）

标记操作

OOP标头的Mark字是指向结构的指针（实际上只是一个位域集合，用于保存有关OOP的内务管理信息。

在正常情况下，在32位JVM上，标记结构的位域如下所示（有关更多详细信息，请参见hotspot / src / share / vm / oops / markOop.hpp）：

哈希：25 —> | 年龄：4biased_lock：1锁：2

高25位包含对象的hashCode（）值，后跟4位表示对象的使用期限（根据对象幸存的垃圾回收数量）。 其余3位用于指示对象的同步锁定状态。

Java 5引入了一种新的对象同步方法，称为“偏置锁定”（在Java 6中已成为默认方法）。 这个想法基于观察到的对象的运行时行为-在许多情况下，对象仅被一个线程锁定。

在偏置锁定中，对象被“偏向”锁定该对象的第一个线程-然后，该线程实现了更好的锁定性能。 获得偏差的线程记录在标记头中：

JavaThread *：23时代：2年龄：4biased_lock：1锁：2

如果另一个线程尝试锁定该对象，则将取消该偏向（并且不会重新获得该偏向）-从那时起，所有线程必须显式锁定和解锁该对象。

该对象的可能状态如下：

• 已解锁
• 偏向
• 轻量级锁定
• 重量级锁定
• 已标记（仅在垃圾收集期间可能）

HotSpot来源中的OOP

HotSpot源中相关OOP类型的层次结构相当复杂。 这些类型保存在：hotspot / src / share / vm / oops中，包括：

• oop（抽象基准）
• instanceOop（实例对象）
• methodOop（方法的表示形式）
• arrayOop（数组抽象库）
• symbolOop（内部符号/字符串类）
• klassOop
• markOop

有一些稍微奇怪的历史事故-虚拟调度表（vtables）的内容与klassOops保持分开，并且markOop看起来与其他oops不同，但仍包含在同一层次结构中。

可以直接看到OOP的一个有趣地方是jmap命令行工具。 这提供了堆内容的快速快照，包括permgen中存在的所有oop（包括klassOops所需的子类和支持结构）。

$ jmap -histo 150 | head -18
num     #instances        #bytes  class name
----------------------------------------------
  1:        10555      21650048   [I
  2:       272357       6536568   java.lang.Double
  3:        25163       5670768   [Ljava.lang.Object;
  4:       229099       5498376   com.jclarity.censum.dataset.CensumXYDataItem
  5:        39021       5470944   
  6:        39021       5319320   
  7:         8269       4031248   [B
  8:         3161       3855136   
  9:       119759       2874216   org.jfree.data.xy.XYDataItem
 10:         3161       2773120   
 11:         2894       2451648   
 12:        34012       2271576   [C
 13:        87065       2089560   java.lang.Long
 14:        20897       2006112   [Lcom.jclarity.censum.CollectionType;
 15:        33798       1081536   java.util.HashMap$Entry

尖括号中的条目是各种类型的oop，而诸如[I和[B]的条目分别指的是整数和字节的数组。

热点口译员

HotSpot是比开发人员通常更熟悉的简单的“ while循环切换”样式的解释器更高级的解释器。

而是HotSpot是模板解释器。 这意味着将构建一个优化的机器代码的动态调度表-特定于所使用的操作系统和CPU。 大多数字节码指令都实现为汇编语言代码，而只有更复杂的指令（例如，从类文件的常量池中查找条目）才委托给VM。

这提高了HotSpot的解释器性能，但付出的代价是使其更难以将VM移植到新的体系结构和操作系统上。 这也使新开发人员更难以理解解释器。

在入门方面，通常使开发人员对OpenJDK提供的运行时环境有一个基本的了解：

• 大多数用Java编写的环境
• 使用本机方法实现的操作系统可移植性
• Java对象在堆中表示为OOP
• 在JVM中表示为KlassOOP的类元数据
• 先进的模板解释器，即使在解释模式下也可实现高性能

从那里，开发人员可以开始探索jdk存储库中的Java代码，或者寻求建立其C / C ++和汇编程序知识以更深入地研究HotSpot本身。

翻译自: https://www.infoq.com/articles/Introduction-to-HotSpot/?topicPageSponsorship=c1246725-b0a7-43a6-9ef9-68102c8d48e1

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