深入拆解java虚拟机-笔记

前言

来自极客时间上的同名课程

要点摘录

1. java语言的类型

基本类型，8个
引用类型，又分四类
- 类
- 接口
- 数组类：java虚拟机直接生成，上面2种有对应的字节流
- 泛型参数，由于会在编译过程中被擦除，所以实际只有3类

2. 类加载流程

加载

查找字节流，借助相应的classLoader加载

启动类加载器
其他类加载器：被启动类加载器加载
双亲委派原则

链接

验证
确保满足虚拟机的约束条件
准备
为类的静态字段准备内存，构造与该类想关联的方法表。注意静态字段初始化在后面的初始化阶段
解析
将符号引用解析成实际引用（如果符号引用指向一个未加载的类，解析将触发这个类的加载，未必触发验证及准备）

初始化

为静态常量赋值（final修饰的除外），执行静态代码块。初始化时线程安全的

3. jvm识别目标方法

静态绑定：在解析时便能识别目标方法的情况
动态绑定：运行时根据调用者类型动态识别目标方法

4. 常用工具

javap：查阅java字节码. -p:打印私有，-v：输出附加信息
反汇编器ASMTools

5. 反射

Method.setAccessible作用：不检查方法权限

性能开销：

变长参数导致的Object数组(jvm需要根据传入参数个数new一个数组)
基本类型的自动装箱
方法内联不成功的情况（这条影响最大）

6. java对象内存布局

java对象头：每个对象都有，由标记字段和类型指针组成，各占64位（8字节），共16字节
压缩指针：将原本64位的指针压缩到32位
字段重排：虚拟机还会对每个类的字段进行重排序，是的字段也能够内存对齐

7. 垃圾回收

引用计数，该算法已淘汰
可达性分析算法：从几个gc roots出发，搜索所有能被引用到的对象，该过程为标记。
- 风险：多线程情况下的误报与漏报问题
stop-the-world: 防止在标记过程中堆栈的状态发生改变，采用安全点机制，线程到达安全点后，开始stw。
垃圾回收的方式：
- sweep清除
  - 缺点：内存碎片，分配效率低（需要逐个访问以找到足够的内存空间）
- compact压缩
  - 缺点：压缩算法性能开销
- copy复制： from，to块
TLAB（Thread Local Allocation Buffer）：每个线程申请一块连续的内存，减少多线程内存分配的竞争
卡表（card table）：每个卡512字节，维护一个标志位，代表对应的卡是否可能存在指向新生代的引用。减小minor gc时老年代的全堆空间扫描
虚共享：几个volatile关键字出现在同一缓存行

8. 内存模型

即时编译器重排序
happens-before（volatile，锁，构造析构等）
内存屏障memory barrier禁止编译器重排序，对处理器则会导致缓存刷新操作
- 如volatile关键字，禁止volatile字段写操作之前的内存访问被重排到其之后，也禁止volatile字段读操作之后的内存访问被重排到其前
volatile在x86架构的实现，是通过强制刷新写缓存。无法分配到寄存器（register）

9. synchroniezd

synchroniezd锁采用计数的方式，是可重入的
实现方式，按代价由高到低

重量级锁：阻塞唤醒，自适应自旋。monitorenter，monitorexit
轻量级锁：CAS（compare and set），会升级，竞争较少时
偏向锁：第一次请求时采用CAS，会升级，一个线程时

10. 即时编译

通常，代码会被java虚拟机解释执行。而反复执行的热点代码，会被编译成机器码，直接运行在底层硬件。

即时编译以方法为单位，依据调用次数和循环回边执行次数判断热点代码。

profiling：分为跳转指令的分支profiling和类型相关指令的类型profiling，是程序运行时的统计信息

从java8开始默认采用分层编译的方式，将执行分为五个层次
0层：解释执行
1层：没有profiling的C1
2层：部分profiling的C1
3层：全部profiling的C1
4层：C2
C1编译效率较快，C2执行效率较快，但编译慢点。1和4是终止状态

优化的核心：根据已有统计进行假设
去优化：假设失败，从机器码回到解释执行

11. java字节码

java字节码是java虚拟机使用的指令集，它与jvm基于栈的计算模型密不可分。
至于jvm为何基于栈，是因为实现简单，但无法使用底层的寄存器，所以效率不够高。

java方法栈帧分为操作数栈和局部变量区
字节码分多种类型，如加载常量指令，操作数专用指令，局部变量区访问指令，方法调用指令，数组相关指令，控制流指令以及计算相关指令等。

12. 方法内联

定义：在编译过程中，遇到方法调用时，将目标方法的方法体纳入编译范围，并取代原方法调用的优化方法。
实现：解析过程中替换方法调用字节码，或者在IR图中替换IR节点。

内联缺点：

内联越多，编译时间越长，程序达到峰值性能的时刻也被推迟
导致生成的机器码变大，容易填满code cache

虚方法调用的内联：去虚化

完全去虚化
条件去虚化

13. 逃逸分析

定义：一种确定指针动态范围的静态分析，它可以分析在程序哪些地方可以访问到指针

判断逃逸依据：

对象是否被存入堆中（个人理解：对象都是分配在堆中，但这里存入，大概指：对象被其他线程引用，才算存入）
对象是否作为方法调用的调用者或者参数

根据逃逸分析结果的优化：

锁消除
标量替换：将原本连续分配的对象拆散为一个个单独的字段，分部在栈上或者寄存器中

部分逃逸分析：附带了控制流信息的逃逸分析

字段访问优化：

沿着控制流缓存字段存储、读取的值，并在接下来直接使用（中间没有方法调用、内存屏障或其他可能存储该字段的节点）
优化冗余的字段存储操作
死代码消除，包括局部变量死存储消除和不可达分支消除

14. 循环优化

循环无关代码外提
循环展开
循环判断外提
循环剥离：即将特殊的循环体（通常是开头或结尾）单独剥离出来，使循环体更一致，更容易触发其他优化

15. 向量化优化

定义：借助CPU的SMID指令，通过单条指令控制多组数据的运算。它被称为CPU指令级别的并行。

16. 注解处理器

用法：

为 Java 编译器添加编译规则
修改源代码
生成新的源代码

Java 源代码的编译过程：

17.jmh

java性能测试的深坑

jvm优化
os：电源管理，CPU 缓存、分支预测器，以及超线程技术
硬件HW（hardware）

jmh便是为了解决这些问题而成立的开源项目。

18.jvm工具

一些概念：

Java Flight Recorder 是 JMC 的其中一个组件，能够以极低的性能开销收集 Java 虚拟机的性能数据
mat支配树展示了快照中每个对象所直接支配的对象

19. java agent与字节码注入

可以通过java agent的类加载拦截功能，在类加载期，修改类对应的byte数组，并通过修改过的字节码完成类的加载

使用：-javaagent:xxx.jar 虚拟机参数

大名鼎鼎的AspectJ，便是通过java agent实现加载期的织入

字节码注入需要注意的问题：

避免无限递归
命名空间

20. Graal与Truffel

Graal是一个用java写就的、能够将java字节码转换成二进制码的即时编译器，通过JVMCI（jvm compile interface）与java虚拟机交互。

Truffel是GraalVM中的语言实现框架，用java写就。解决的问题：实现一门语言时，只需要实现解释执行器，而复用即时编译、垃圾回收等组件。
基于Truffel的语言实现仅需用java实现词法分析器、语法分析器以及针对语法分析所生成的抽象语法树（Abstract Syntax Tree， AST）的解释执行器即可。

实现一门语言需要先实现一个编译器，把该语言编写的程序转换成可以在硬件上直接运行的机器码。通常，编译器分成前端和后端：前端负责词法分析、语法分析、类型检查和中间代码生成。后端负责编译优化和目标代码生成。

21. 结语

jvm学习的一些博客和公号