輕鬆學JVM

輕鬆學JVM（一）——基本原理

 

前言

  JVM一直是java知識裏面進階階段的重要部分，若是但願在java領域研究的更深刻，則JVM則是如論如何也避開不了的話題，本系列試圖經過簡潔易讀的方式，講解JVM必要的知識點。

運行流程

  咱們都知道java一直宣傳的口號是：一次編譯，處處運行。那麼它如何實現的呢？咱們看下圖：

  java程序通過一次編譯以後，將java代碼編譯爲字節碼也就是class文件，而後在不一樣的操做系統上依靠不一樣的java虛擬機進行解釋，最後再轉換爲不一樣平臺的機器碼，最終獲得執行。這樣咱們是否是能夠推演，若是要在mac系統上運行，是否是隻須要安裝mac java虛擬機就好了。那麼瞭解了這個基本原理後，咱們嘗試去作更深的研究，一個普通的java程序它的執行流程究竟是怎樣的呢？例如咱們寫了一段這樣的代碼：

public class HelloWorld {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.print("Hello world");
	}
}

這段程序從編譯到運行，最終打印出「Hello world」中間通過了哪些步驟呢？咱們直接上圖：

  java代碼經過編譯以後生成字節碼文件（class文件），經過：java HelloWorld執行，此時java根據系統版本找到jvm.cfg，各位能夠搜索一下本身電腦上的jvm.cfg文件在哪，它會根據你的系統版本放在不一樣的位置，好比個人這個文件就在：C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\jre\lib\amd64\jvm.cfg，打開看一下：

  這是我電腦上的文件，其中-server KNOWN就表示名稱爲server的jvm可用。若是這時你搜索一下你電腦上jvm.dll，你就會發現它必定在你的某個server目錄下，好比個人：C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\jre\bin\server\jvm.dll。簡而言之就是經過jvm.cfg文件找到對應的jvm.dll，jvm.dll則是java虛擬機的主要實現。接下來會初始化JVM,而且獲取JNI接口，什麼是JNI接口，就是java本地接口，你想啊java被編譯成了class文件，JVM怎麼從硬盤上找到這個文件並裝載到JVM裏呢，就是經過JNI接口（它還經常使用於java與操做系統、硬件交互），找到class文件後並裝載進JVM，而後找到main方法，最後執行。

JVM基本結構

  可能經過上面的描述，你們對JVM運行流程有了一個粗略的認識，那麼JVM內部究竟是怎麼執行一個class文件的呢，也就是上圖中最後一步第6步的內部細節是怎樣的呢？要了解這個問題，咱們首先得看一下JVM的內部結構：

  從這個結構不難看出，class文件被jvm裝載之後，通過jvm的內存空間調配，最終是由執行引擎完成class文件的執行。固然這個過程還有其餘角色模塊的協助，這些模塊協同配合才能讓一個java程序成功的運行，下面就詳細介紹這些模板，它們也是後面學習jvm最重要的部分。

內存空間：

JVM內存空間包含：方法區、java堆、java棧、本地方法棧。

方法區是各個線程共享的區域，存放類信息、常量、靜態變量。

java堆也是線程共享的區域，咱們的類的實例就放在這個區域，能夠想象你的一個系統會產生不少實例，所以java堆的空間也是最大的。若是java堆空間不足了，程序會拋出OutOfMemoryError異常。

java棧是每一個線程私有的區域，它的生命週期與線程相同，一個線程對應一個java棧，每執行一個方法就會往棧中壓入一個元素，這個元素叫「棧幀」，而棧幀中包括了方法中的局部變量、用於存放中間狀態值的操做棧，這裏面有不少細節，咱們之後再講。若是java棧空間不足了，程序會拋出StackOverflowError異常，想想什麼狀況下會容易產生這個錯誤，對，遞歸，遞歸若是深度很深，就會執行大量的方法，方法越多java棧的佔用空間越大。

本地方法棧角色和java棧相似，只不過它是用來表示執行本地方法的，本地方法棧存放的方法調用本地方法接口，最終調用本地方法庫，實現與操做系統、硬件交互的目的。

PC寄存器，說到這裏咱們的類已經加載了，實例對象、方法、靜態變量都去了本身改去的地方，那麼問題來了，程序該怎麼執行，哪一個方法先執行，哪一個方法後執行，這些指令執行的順序就是PC寄存器在管，它的做用就是控制程序指令的執行順序。

執行引擎固然就是根據PC寄存器調配的指令順序，依次執行程序指令。

結語

  本文主要介紹了java虛擬機運行的基本流程，以及java虛擬機內部結構。下一篇咱們將學習java內存模型以及探索java變量的可見性、有序性、指令重排等問題.

 

 

 

 

輕鬆學JVM（二）——內存模型、可見性、指令重排序

 

    上一篇咱們介紹了JVM的基本運行流程以及內存結構，對JVM有了初步的認識，這篇文章咱們將根據JVM的內存模型探索java當中變量的可見性以及不一樣的java指令在併發時可能發生的指令重排序的狀況。

內存模型

    首先咱們思考一下一個java線程要向另一個線程進行通訊，應該怎麼作，咱們再把需求明確一點，一個java線程對一個變量的更新怎麼通知到另一個線程呢？咱們知道java當中的實例對象、數組元素都放在java堆中，java堆是線程共享的。（咱們這裏把java堆稱爲主內存），而每個線程都是本身私有的內存空間（稱爲工做內存），若是線程1要向線程2通訊，必定會通過相似的流程：

一、 線程1將本身工做內存中的X更新爲1並刷新到主內存中；

二、 線程2從主內存讀取變量X=1，更新到本身的工做內存中，從而線程2讀取的X就是線程1更新後的值。

從上面的流程看出線程之間的通訊都須要通過主內存，而主內存與工做內存的交互，則須要Java內存模型（JMM）來管理器。下圖演示了JMM如何管理主內存和工做內存：

當線程1須要將一個更新後的變量值刷新到主內存中時，須要通過兩個步驟：

一、 工做內存執行store操做；

二、 主內存執行write操做；

完成這兩步便可將工做內存中的變量值刷新到主內存，即線程1工做內存和主內存的變量值保持一致；

當線程2須要從主內存中讀取變量的最新值時，一樣須要通過兩個步驟：

一、主內存執行read操做，將變量值從主內存中讀取出來；

二、工做內存執行load操做，將讀取出來的變量值更新到本地內存的副本；

完成這兩步，線程2的變量和主內存的變量值就保持一致了。

可見性

    Java中有一個關鍵字volatile，它有什麼用呢？這個答案其實就在上述java線程間通訊機制中，咱們想象一下，因爲工做內存這個中間層的出現，線程1和線程2必然存在延遲的問題，例如線程1在工做內存中更新了變量，但還沒刷新到主內存，而此時線程2獲取到的變量值就是未更新的變量值，又或者線程1成功將變量更新到主內存，但線程2依然使用本身工做內存中的變量值，一樣會出問題。無論出現哪一種狀況均可能致使線程間的通訊不能達到預期的目的。例如如下例子：

//線程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //線程2

stop 

= true;

這個經典的例子表示線程2經過修改stop的值，控制線程1中斷，但在真實環境中可能會出現意想不到的結果，線程2在執行以後，線程1並無馬上中斷甚至一直不會中斷。出現這種現象的緣由就是線程2對線程1的變量更新沒法第一時間獲取到。

但這一切等到Volatile出現後，不再是問題，Volatile保證兩件事：

一、 線程1工做內存中的變量更新會強制當即寫入到主內存；

二、 線程2工做內存中的變量會強制當即失效，這使得線程2必須去主內存中獲取最新的變量值。

因此這就理解了Volatile保證了變量的可見性，由於線程1對變量的修改能第一時間讓線程2可見。

指令重排序

關於指令排序咱們先看一段代碼：

int a = 0;
boolean flag = false;

//線程1

public void writer() {

a = 1;

flag = true;

}

//線程2

public void reader() {

if (flag) {

int i= a+1;

...... }

}

線程1依次執行a=1,flag=true；線程2判斷到flag==true後，設置i=a+1，根據代碼語義，咱們可能會推斷此時i的值等於2，由於線程2在判斷flag==true時，線程1已經執行了a=1；因此i的值等於a+1=1+1=2；但真實狀況卻不必定如此，引發這個問題的緣由是線程1內部的兩條語句a=1；flag=true；可能被從新排序執行，如圖：

這就是指令重排序的簡單演示，兩個賦值語句儘管他們的代碼順序是一前一後，但真正執行時卻不必定按照代碼順序執行。你可能會說，有這個指令重排序那不是亂套了嗎？我寫的程序都不按個人代碼流程走，這怎麼玩？這個你能夠放心，你的程序不會亂套，由於java和CPU、內存之間都有一套嚴格的指令重排序規則，哪些能夠重排，哪些不能重排都有規矩的。下列流程演示了一個java程序從編譯到執行會經歷哪些重排序：

在這個流程中第一步屬於編譯器重排查，編譯器重排序會按JMM的規範嚴格進行，換言之編譯器重排序通常不會對程序的正確邏輯形成影響。第2、三步屬於處理器重排序，處理器重排序JMM就很差管了，怎麼辦呢？它會要求java編譯器在生成指令時加入內存屏障，內存屏障是什麼？你能夠理解爲一個不透風的保護罩，把不能重排序的java指令保護起來，那麼處理器在遇到內存屏障保護的指令時就不會對它進行重排序了。關於在哪些地方該加入內存屏障，內存屏障有哪些種類，各有什麼做用，這些知識點這裏就再也不闡述了。能夠參考JVM規範相關資料。

下面介紹一下在同一個線程中，不會被重排序的邏輯：

這三種狀況中，任意改變一個代碼的順序，結果都會大不相同，對於這樣的邏輯代碼，是不會被重排序的。注意這是指單線程中不會被重排序，若是在多線程環境下，仍是會產生邏輯問題，例如咱們一開始舉的例子。

結語

本文簡單介紹了java在實現線程間通訊時的簡單原理，並介紹了volatile關鍵字的做用，最後介紹了java當中可能會出現指令重排序的狀況。下一篇將介紹JVM中的參數設置對java程序的影響。

 

參考資料：

《實戰Java虛擬機》 葛一鳴

《深刻理解Java虛擬機（第2版）》 周志明

《深刻理解Java內存模型》 程曉明