二、JVM运行机制

一、JVM启动流程

1.JVM初始化

• 编写java程序：JVMTest.java(需含有main方法)；
• 通过 javac JVMTest.java 命令编译成class文件；
• 打包成jar文件；
• java -jar JVMTest：启动程序；

• JVM根据java运行环境信息（jre路径）寻找jvm.cfg配置文件；

  
  

• 根据配置文件寻找JVM.dll文件，JVM.dll文件为JVM主要实现；

  
  
• 初始化JVM，获取JNIEnv接口，JNIEnv接口实现查找类操作；
• 找到main方法，执行程序。

二、JVM结构

• PC寄存器（程序计数器）

  • 存放线程当前正在执行的JVM指令地址，并始终指向下一条指令的地址；
  • 线程私有，创建线程时创建，因为多线程本质上同一个时间节点只会执行一个程序（单核），当前线程需要知道当前线程的下一条指令，pc寄存器必须独立；
  • 
    

• 方法区（Method Area、jdk1.8之后也叫元空间）

  • 存放装载类信息（即类名、直接父类名、类型修饰符、直接接口的有序列表）、方法信息（名称、返回类型、参数、修饰符、操作数栈等等）、常量（String常量1.7之后移到堆）、静态变量；
  • 线程共享；
  • JVM启动时被创建，方法区大小可设置；
  • 大小决定可存放多少类，当类过多导致溢出时报错：OutOfMemoryError:Metaspace（1.8之后），OutOfMemoryError:PermGen space（1.8之前）
  • jdk1.8前常与永久代（Perm）关联，1.8之后改为元空间，舍弃永久代概念，元空间内存不在虚拟机中，使用本地内存；
  • 方法区回收
    • 回收原则：内容不再被使用才可被回收，老年代、永久代内存不足时促发full gc才会回收方法区；
    • 由于方法区回收效率低（full gc频率低），而程序中一般会有大量String，1.7之后将String存放到堆中；
    • 常量池中的常量没有被任何地方使用就可被回收；
    • 类回收（类卸载）：
      • 堆中所有实例被回收，且不存在任何派生子类实例；
      • 加载该类的类加载器被回收；
      • 该类的java.lang.Class对象未在任何地方被引用，且无法在任何地方通过反射访问该类；
      • 满足以上条件的类仅仅允许被回收；

• java堆

  • 存放类实例、数组信息；
  • 线程共享；
  • 垃圾回收的主要区域，JVM启动时创建；
  • 大小决定存放多少对象实例，溢出时报错：OutOfMemoryError:java heap space；

  • java堆分代（大部分收集器）

    
    
  • 年轻代：Eden、From Surivor（s1）、To Surivor（s0，始终为空），默认比例：8：1：1；
    • Eden：绝大部分对象都在Eden区new出来（有些对象会进行栈上分配），绝大多数的对象回收也在该区域，当一个对象大到Eden区存不下的时候会直接放到老年区；
    • 当Eden区内存不足时，进行MinorGC（年轻代垃圾回收），将Eden和From Surivor中存活的对象复制到To Surivor，然后调换To Surivor和From Surivor指针，保证下次To Surivor依旧为空；
    • 当一个对象在Survivor区被来回调换15次（次数可设置）依旧存活，则该对象会进入老年代；
    • 当Survivor区内存被占50%，较高复制次数依旧存活的对象也会进入老年代；
    • 过早提升：进行MinorGC时，如果Survivor区内存不足以存放存活对象，则会将多于对象直接放入老年代；
    • 提升失败：进行MinorGC时，Survivor和老年代内存均不足以存放存活对象，则会进行fullGC；
  • 老年代：Tenure，新生代与老年代默认比例：1：2
    • 老年代内存不足时进行OldGC（Major GC，有时Major GC也被指为FullGC）；
  • 永久代（1.8后为元空间）：方法区；
  • FullGC
    • 当准备触发MinorGC时，发现之前平均晋升的对象所占内存比当前老年代内存大，此时不在出发MinorGC，改为FullGC；
    • 如果存在永久代，程序需要在永久代分配内存，而永久代内存不足时，出发FullGC；
    • System.gc()触发FullGC

• java栈

  • 线程私有；
  • 由一系列帧组成，也叫栈帧；
  • JVM只对栈进行存储、压栈、出栈操作；
  • 调用一个方法时，创建一个栈帧，并将栈帧压入栈，方法结束时将当前方法的栈帧弹出栈；
  • 栈是先进后出结构，由此可知线程当前运行的方法对应的栈帧必然在栈顶部；
  • 栈上分配：在栈上直接分配内存，方法运行完会直接回收；（后续JVM优化补充）
  • 存放内容（主要为引用）

    • 局部变量表：函数参数列表（参数中有对象时存放对象引用）、函数类局部变量，当方法为实例方法时会存放一个当前对象的引用；

      
      

  • 栈帧：函数的调用组成栈帧

    
    

  • 操作数栈：java中没有寄存器，使用操作数栈传递参数

    
    
  • 常量池指针、返回地址

• 方法区、堆、栈交互

• 启动程序是将JVMTest、JVMDemo类信息加载到方法区；
• 调用main()时，调用main方法栈，栈中存放demo，指向堆中JVMDemo实例；

三、内存模型

• 每一个线程都有一个工作内存，和主内存独立；
• 工作内存中存放主内存的拷贝；
• 操作原子性：
  • lock(锁)：将主内存中共享变量加锁，标记为线程独占状态；
  • read(读)：将主内存中变量读出；
  • load(载入)：将从主内存中读出的变量载入工作线程；
  • use(使用)：执行引擎使用工作内存中的变量；
  • assign(赋值)：执行引擎将变量计算结果返回给工作内存；
  • store(存储)：将工作线程中的变量返回给主内存；
  • write(写)：将返回的变量写入主内存中的变量；
  • unlock(解锁)：将主内存中的变量标记为解锁状态，解锁状态的变量可以被线程上锁；
• 由于主内存中的共享变量未及时更新到线程中，多线程之间的共享变量值可能不一致（线程安全）；
• 可见性（共享变量）
  • 一个线程修改共享变量，其它线程能立即知道；
  • 缓存一致性协议（mesi）：线程会读取变量到各自的高速缓存中，当共享变量被改变时，会马上写回主内存，其余线程会通过总线嗅探机制感知改变，并立即让缓存中的变量失效重新读取主内存中的数据；
  • volatile修饰：开启总线中的mesi，因此volatile变量每次使用时都从主内存重新读取，实际汇编实现时，会锁定缓存以保证取到的变量值是最新值；
  • synchronized修饰：会上锁变量，并在解锁前将变量写回；
  • final修饰：final修饰的为常量，初始化后不可改变，其它线程可见；
• 指令重排
  • 在不影响单线程执行结果的前提下，为了优化性能，编译器会对机器指令优化排序；
  • as-if-serial：重排后的指令不会影响单线程执行的结果，但不能保证多线程之间的结果（线程间不可见）；
  • happens-before：单线程中语义串行，比如解锁操作必须在上锁操作后；
  • 例：int a = 1,int b =2; 可重排；int a = 1,int b = a 不可重排；
• 有序性
  • 单线程内按顺序执行，多线程间无法保证,线程a执行方法testMethodA，线程b执行testMethodB，此时可能出现b = true，但是a = 0；

 * @author xiaomu
 * @title: JVMTest
 * @description: JVM 测试
 * @date 2022/8/514:59
 */
public class JVMTest {
 
    int a = 0;
    boolean b = false;
 
    public void testMethodA(){
        a = 1;
        b = true;
    }
 
    public void testMethodB(){
        if (b){
            a = a+1;
        }
    }
}

• 加锁（synchronized）、volatile可保证多线程间的有序性；

四、运行方式

• 解释运行：读一句执行一句；
• 编译运行：将字节码编译成机器码之后执行，性能与解释运行比有数量级提升。