JVM Java虛擬機簡介

一、編譯機制

• 分析和輸入到符號表：
  詞法分析：將代碼轉化爲token序列
  語法分析：由token序列生成抽象語法樹
  輸入到符號表：將類中出現的符號輸入到類的符號表

• 註解處理：
  處理用戶自定義註解，以後繼續第一步

• 根據符號表進行語義分析並生成class文件，並進行相關優化

虛擬機數據類型、字節碼文件格式、虛擬機指令集

 

二、執行機制

2.一、加載、連接、初始化

2.1.一、加載

雙親委派、線程上下文類加載器、Web容器、OSGi：
http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/

2.1.二、連接

校驗：校驗二進制字節碼格式是否符合Java Class File Format規範
準備：爲類的靜態屬性分配內存和默認值，並加載引用的類或接口
解析：將運行時常量池中的符號引用替換爲直接引用(靜態綁定)

2.1.三、初始化

類的初始化時機：
1) 建立類的實例
2) 初始化某個類的子類（知足主動調用，即訪問子類中的靜態變量、方法）
3) 反射（Class.forName()會觸發，ClassLoader.loadClass()及X.class不會觸發）
4) 訪問類或接口的靜態變量（static final常量除外，static final變量能夠）
5) 調用類的靜態方法
6) java虛擬機啓動時被標明爲啓動類的類

初始化順序：
父類靜態成員、靜態代碼塊—>子類靜態成員、靜態代碼塊—>父類和子類實例成員內存分配—>父類實例成員、代碼塊—>父類構造函數—>子類實例成員、代碼塊—>子類構造函數

2.二、內存結構

運行時數據區：

2.2.一、Java堆

JVM在Eden區分配一塊內存爲TLAB，在TLAB建立對象時不須要加鎖，因此JVM首先在TLAB上建立對象，不夠則在堆上建立。
 

2.2.二、方法區

靜態綁定、動態綁定：
http://hxraid.iteye.com/blog/428891
 

2.2.三、JVM棧

2.三、垃圾回收

2.3.一、對象結構

對象：對象頭、對象體、字節填充

對象頭：
http://blog.csdn.net/bingjing12345/article/details/8642595

對象頭的MarkWord用於存儲對象的各類標記信息，實現鎖、 哈希算法、垃圾回收等。
後續爲指向類方法區的引用及數組長度（若爲數組）。

2.3.二、對象分配方式

a. 堆上分配：指針碰撞、間隙列表

b. 棧上分配：基於逃逸分析

c. 堆外分配：Unsafe.allocateMemory()、DirectByteBuffer、ByteBuffer.allocateDicrect()或MappedByteBuffer

d. TLAB分配：Thread Local Allocation Buffer，多線程環境中JVM在Eden區分配一塊內存爲TLAB，在TLAB建立對象時不須要加鎖，因此JVM首先在TLAB上建立對象，不夠則在堆上建立。可經過-XX:TLABWasteTargetPercent設置TLAB和Eden的比例，可經過-XX:+PrintTLAB查看TLAB的使用狀況。

2.3.三、垃圾回收算法

引用計數器：爲每一個對象分配一個引用計數器，當計數器爲0時回收對象，缺點：循環引用問題

複製：從根集合掃描存活對象，複製到一塊全新內存空間，缺點：須要2倍內存空間，存活對象較多時開銷較大

標記-清除：從根集合掃描並標記存活對象，掃描完成後清除未標記對象，缺點：存活對象較少時內存碎片較多

標記-清除-壓縮：從根集合掃描並標記存活對象，掃描完成後將存活對象移動並對齊

分代回收：根據生命週期長短，把JVM堆分紅新生代、老年代。

說明：根集合範圍爲Java堆中的對象(Card Table/Remember Set)、方法區中的靜態對象、Java棧中的局部變量表和JNI句柄指向的對象。

2.3.四、JVM內存及垃圾回收配置

-Xmx：設置最大堆內存，即新生代、老年代之和的最大值，該參數設置太小會觸發OOM
-Xms：設置最小堆內存，即JVM啓動時的初始堆大小，通常設置和-Xmx相同，避免垃圾回收後JVM內存重分配
-XX:NewSize：設置新生代的初始值
-XX:MaxNewSize：設置新生代最大值
-Xmn：等同於設置相同的-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize，該參數設置太小會頻繁GC
-XX:PermSize：設置持久代初始值
-XX:MaxPermSize：設置持久代最大值
-Xss：設置線程棧大小
-XX:NewRatio：設置老年代與新生代的比例
-XX:SurvivorRatio：設置Eden區與S區的比例

-XX:MaxTenuringThreshold：設置垃圾回收最大年齡，即新生代中的對象通過多少次複製進入老年代
-XX:PretenureSizeThreshold：設置大於指定大小的較大對象直接進行老年代
-XX:TargetSurvivorRatio：設置S區的可以使用率，當S區的空間使用率達到這個數值，會將對象送入老年代
-XX:MinHeapFreeRatio：設置堆空間的最小空閒比例，當堆空間的空閒內存小於這個數值時，JVM便會擴展堆空間
-XX:MaxHeapFreeRatio：設置堆空間的最大空閒比例，當堆空間的空閒內存大於這個數值時，JVM便會壓縮堆空間

新生代串行GC：使用複製算法，單線程STW
新生代並行回收GC：使用複製算法，多線程STW，吞吐量優先：自動調整新生代Eden、S0、S1大小
新生代並行GC：使用複製算法，多線程STW，新生代串行GC的多線程版本
老年代串行GC：使用標記壓縮算法，單線程STW
老年代並行回收GC：使用標記壓縮算法，多線程STW ，壓縮方式比較特別，內存按線程數劃分紅不一樣區域，壓縮時根據區域存活對象比例決定是否整塊壓縮
老年代併發GC：使用標記清除算法。問題：① 佔用更多CPU；② 浮動垃圾；③ 內存碎片：支持Full GC後的碎片整理清除，多線程不STW，可是碎片整理是STW；

 
說明：
① -XX:+UserSerialGC爲client默認方式，-XX:+UseParallelOldGC爲server默認方式；
② 分存分配方式：指針碰撞(bump-the-pointer)、空閒列表(free list)、TLAB；
③ 根集合掃描加速：Card Table、Mod Union Table、Remembered Set；
④ 新生代並行回收GC沒有對Mod Union Table進行處理，所以不能和老年代併發GC一塊兒工做；
⑤ 使用 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError開啓堆Dump；

優化方案：
① 給新生代分配較大空間，由於Full GC比Mirror GC成本高；
② 新生代進入老年代的年齡設置較大值，緣由同上；
③ 設置大對象直接進入老年代，由於新生代使用複製算法，而且佔用兩倍空間，大對象成本高；
④ 最大和最小堆大小設置成同樣，避免堆的調整；
⑤ 吞吐量優先模式：並行回收GC；
⑥ 響應時間優先模式：併發GC；

2.四、執行機制

2.4.一、解釋執行

1) 棧頂緩存：將操做數棧頂中值直接緩存在寄存器上，計算後放回操做數棧
2) 部分棧幀共享：調用方法時，後一方法可將前一方法的操做數棧做爲當前方法的局部變量，節省數據拷貝消耗

2.4.二、編譯執行

對頻繁執行的代碼編譯爲機器碼，對不頻繁執行的代碼繼續使用解釋方式，可經過CompileThreshold、OnStackReplacePercentage兩個計數器進行配置

1) client編譯（C1）：
方法內聯：方法較短時，將被調用方法的指令直接植入當前方法
去虛擬化：如發現類中的方法只提供一個實現類，則對調用方進行內聯
冗餘削除：根據運行時情況對代碼進行摺疊或削除

2) server編譯（C2）：
經過運行時信息，如分支判斷（優先執行頻率高的分支）和逃逸分析（變量是否被外部讀取）等進行優化

標量替換：未用到對象的所有變量時，用標量替換聚合量，避免建立對象，節省內存，優化執行
棧上分配：對象未逃逸時，直接在棧上建立對象，優化執行
同步削除：對象未逃逸時，C2直接去掉同步

3) OSR編譯（On-Stack Replacement）：
只在循環代碼體部分編譯，其它部分仍然是解釋執行
 

2.4.三、逆優化

C一、C2不知足優化條件時，進行逆優化回到解釋執行模式

2.4.四、反射執行

1) 因爲權限校驗、全部方法掃描及Method對象的複製，getMethod()方法比較消耗性能，應該緩存返回的Method對象；2) Method.invoke()的性能瓶頸：參數的數組包裝、方法可見性檢查、參數的類型檢查。可經過JDK7的MethodHandle提升性能；