漫談JVM

時間  2019-11-15
標籤 漫談 jvm 欄目 Java 简体版
原文   原文鏈接

背景介紹

建立了一個技術類公衆號: 一塊兒源碼分析，裏面會分享最新的開源代碼、源碼解讀、開發技巧等，歡迎你們關注。 java

JVM已是Java開發的必備技能了，JVM至關於Java的操做系統。python

JVM,java virtual machine, 即Java虛擬機，是運行java class文件的程序。web

Java代碼通過Java編譯器編譯，會編譯成class文件，一種平臺無關的代碼格式，class文件按照jvm規範，包括了java代碼運行所需的元數據和代碼等內容。jvm加載class文件後，就能夠執行java代碼了。算法

JVM有不一樣的實現，有咱們熟悉的Hotspot虛擬機，JRockit等。在各個操做系統上，又回有各自的虛擬機實現，從而造成了Java代碼 > class文件 > JVM規範 > JVM實現的層次。再加上其餘語言如scala、groovy也可以生成class文件，這樣不只實現了平臺無關性，也實現了語言無關性。編程

JVM體系，分爲JVM內存結構，Class文件結構，Java ByteCode，垃圾收集算法和實現，調優和監控工具，以及Java內存模型(JMM)。 jvm-mindmapvim

<!-- more -->數組

JVM內存結構

JVM-runtime-area

一般，認爲大概分爲線程共享的區域和線程私有的區域。共享區域在JVM啓動時建立， 私有區域伴隨這線程的啓動和結束。緩存

私有區域

一個線程擁有的結構有安全

程序計數器(Program Counter, PC)

Java天生支持多線程，多線程會有線程切換的問題，當一個線程從可運行狀態獲得CPU調度進入運行狀態，CPU須要知道從哪裏開始執行，而且Java是一種基於棧的執行架構(區別於基於寄存器的架構)。網絡

當執行一個Java方法時，PC會指向下一條指令的位置。執行native方法時，PC是未定義。操做指令可能會有0個或多個操做數。JVM的執行流程大概能夠描述爲:

while(true) {
opcode = code[pc];
oprand = getOperan(opcode);
pc = code[pc + len(oprand)];
execute(opcode, oprand);
}

Java虛擬機棧(Java Virtual Machine Stack)

Java虛擬機棧，或者叫方法棧，會伴隨這方法的調用和返回進行相應的入棧和出棧。棧的元素是棧幀(Stack Frame), 棧幀中的內容包括: 操做數棧，本地變量表，動態連接等信息。當線程調用一個方法的時候，會組裝對應的棧幀入棧。

本地變量表(Local Variable Table)

本地變量表存儲方法的參數、方法內部建立的局部變量。本地變量表的大小在編譯時就肯定了。本地變量表會根據變量的做用範圍選擇重用一個位置。本地變量表會存放 int,char,byte,float,double,long,address(實例引用)。其中除了double和long其餘變量佔用一個slot,一個slot指一個抽象的位置，在32位虛擬機中是32bit大小， double和long佔用兩個slot。 值得注意的時，若是一個方法是實例方法，Java編譯器會將this做爲第一個參數傳入本地變量表。另外Java中面向對象，方法調用能夠這樣理解

實例方法
obj.method(var1, var2, var3) => method invoke obj var1 var2 var3

操做數棧

操做數棧用於方法內執行保存中間結果，Java方法中的代碼邏輯就是經過操做數棧來實現的。和本地方法表同樣，操做數棧也是在編譯時就肯定最大大小了，即最大深度。操做數棧能夠和本地變量表交互，進行數據的存放和讀取。下面用一個簡單的例子展現一下。

int add(int a, int b) {
   return a + b;
}

這個實例方法通過Java編譯器編譯後生成的字節碼

本地變量表
slot0  this 
slot1  a 
slot2  b

方法字節碼
iload_1 #讀位置是1的本地變量(本地變量表從0開始，位置0是this引用)
此時操做數棧是 a
iload_2 #讀位置是2的本地變量，即b
此時操做數棧是 a b
iadd    #進行int類型的add操做，會取出棧頭的兩個元素取出進行相加並將結果入棧。
此時操做數棧是 c (相加的結果)
ireturn #ireturn指令會將棧頭元素返回給調用方法的棧幀

線程共享區域

堆(Heap區)

建立的對象（包括普通實例和數組)都分配在Heap區（不考慮一些虛擬機的棧上分配優化技術)。在細分的話，通常還分紅年輕代和老年代。這是基於這樣一個相似28原理的統計，90%多的對象都是很快成爲垃圾的對象。因此化爲成兩個區域，分別使用不一樣的收集算法，年輕代的收集頻率更高，所需空間也相對較小。內存分配時，多個線程會有併發問題，主要經過兩種方式解決:1.CAS加上失敗重試分配內存地址。2. TLAB, 即Thread Local Allocation Buffer, 爲每一個線程分配一塊緩衝區域進行對象分配。年輕代還能夠分爲兩個大小相等的Survivor和一個Eden區域。對象在幾種狀況下會進入老年代:1. 大對象，超過Eden大小或者PretenureSizeThreshold. 2. 在年輕代的年齡(經歷的GC次數）超過設定的值的時候 3. To Survivor存放不下的對象

方法區

方法區存放加載的類信息和運行時常量池等。

垃圾收集(Garbage Collect)

在Java應用中不須要也不能經過代碼對內存進行手動釋放，JVM中的垃圾器幫助咱們自動回收沒有程序引用的對象。除了進行內存釋放，JVM還需對內存進行整理，由於有內存碎片的問題。GC的優勢是加快開發效率，不須要關心內存釋放，而且避免了不少內存安全問題。缺點是會帶來性能損耗。 GC必需要作兩件事情，找出垃圾對象和回收它們的內存。

什麼時候進行收集

通常來講，當某個區域內存不夠的時候就會進行垃圾收集。如當Eden區域分配不下對象時，就會進行年輕代的收集。還有其餘的狀況，如使用CMS收集器時配置CMSInitiatingOccupancyFraction設置何時觸發Old區的回收。

如何判斷一塊內存是垃圾

即判斷一個對象再也不使用，再也不使用能夠是沒有有效的引用。 通常來講，主要有兩種判斷方式

引用計數(Reference Count)

當有對象引用自身時，就會計數器加1，刪除一個引用就減一，當計數爲0時便可判斷爲垃圾。python等語言使用引用計數。引用計數存在循環引用問題，如兩個落單的A和B互相引用，可是沒有其餘對象指向它們這種狀況.

可達性分析(Reachability Analysis)

經過一些根節點開始，分析引用鏈，沒有被引用的對象均可以被標記爲垃圾對象。根節點是方法棧中的引用、常量等。根節點集合和具體的實現相關，可是會包括: 線程棧幀中的本地變量和操做數棧中的對象引用，靜態變量、常量以及已經加載的類的常量池中的隊形引用等。全部可以經過引用鏈引用到的對象都被認爲是活對象。 JVM中廣泛使用的是可達性分析。

垃圾收集算法

標記清除(Mark Sweep)

對非垃圾對象進行標記都，清除其餘的對象。這種方式對對內存空間形成空隙，即內存碎片，最終致使有空餘空間，但沒有連續的足夠大小的空間分配內存。

標記整理(Mark Compact)

標記非垃圾對象後，將這些對象整理好，依次排列內存。這樣內存就是整齊的了。可是由於會形成對象移動，因此效率會有下降。

標記清除整理(Mark Sweep Compact)

即組合兩種方式，在若干次清除後進行一次整理。

複製(Copy)

劃分紅兩個相同大小的區域，收集時，將第一個區域的活對象複製到另外一個區域，這樣不會有內存碎片問題。可是最多隻能存放一半內存,並且全部的活對象都須要拷貝。

Sun HotSpot虛擬機

爲了保證明際GC過程當中對象的一致性，GC每每須要停頓全部的Java應用線程，也就是常說的StopTheWorld。 目前主流的虛擬機能夠知道哪一個位置保存着對象引用，在HotSpot中，經過OopMap的數據結構在快速的GC Root枚舉。 安全點(Safe Point): 程序並不是在全部時刻都能停頓下來開始GC，只有到達安全點才能暫停。安全點知識程序可能長時間執行的可能的指令，例如方法調用、循環跳轉、異常跳轉等。發生GC時須要讓全部線程停下來，有搶先式中斷和主動式中斷兩種方式。爲了解決主動式中斷線程一直不響應中斷請求的問題，又引入了安全區域(Safe Region)的概念，安全區域是在一段代碼片斷之中引用關係不會發生變化，線程離開安全區域時，要檢查系統是否已經完成了根節點枚舉，若是沒有則一直等待。

垃圾收集器

垃圾收集器就是垃圾收集算法的相應實現。 在大多數的應用中，有基本能統計到如下的現象:

  • 大多數的對象都是短命的對象
  • 大多數的程序會建立一些長時間存活的對象 因此常常會將內存區域劃分紅兩部分，每一個部分各自使用合適的收集算法，也就是分代收集。經過記錄對象的年齡(經歷過的GC次數), 年輕代進行的收集更頻繁，對象到達必定年齡後進入老年代。

Serial New

新生代單線程的收集器，是Client模式默認的垃圾收集器

Parallel New

Serial New的多線程版本。ParNew常和CMS拉配使用。這裏說明一些Parallel和Concurrent即並行和併發在垃圾收集這裏的表示的不一樣，並行表示有多個線程同時進行垃圾收集，併發是指垃圾收集線程和應用線程能夠併發執行。

Parallel Scanvenge

PS收集器是注重吞吐量（ThroughPut）的收集器。

Serial Old。

老年代的單線程收集器

Parallel Old

Serial Old的多線程版本，因爲Parallel Scavenge不能和CMS搭配使用，因此會是使用PS時的一種選擇。

CMS （Concurrent Mark Sweep)

注重延遲latency的收集器，在交互式應用中，如面向用戶的web應用，須要儘量減小垃圾收集形成的停頓時間。在總的統計上，吞吐量可能沒有PS收集器高。 細分上，CMS還分爲4個階段

  • 初始標記，標記GC Root能夠直達的對象。STW
  • 併發標記，從第一步標記的對象開始，進行可達性分析遍歷，和應用線程併發執行。
  • 從新標記，SWT，修正上一階段併發執行形成的引用變化。
  • 併發清除，併發的清除垃圾 CMS使用標記清除算法，因此有內存碎片問題，可能設置參數在進行若干次不帶整理的收集後進行一次帶整理（compact)的收集。另外，由於垃圾收集是和應用線程併發執行的，在收集的同時可能還會有垃圾不斷產生，即產生了浮動垃圾。另外還須要預留出必定空間，到達這個值後進行收集，可是還會有收集速度趕不上生產的速度，這時就會出現Concurrent Mode Failure,CMS會退化成Serial Old進行GC。

G1 （Garbage First）

具備大內存收集和目標效率時間等控制能力，目標是代替CMS。G1經過將內存劃分紅不一樣的區域(Region),並對不一樣區域計算分數，分析那個Region最具備收集價值。

一些JVM的GC參數

經常使用的參數設置有

  • -Xms=4g -Xmx=4g 設置Java堆的初始大小和最大大小均爲4g，即避免了堆大小調整
  • -Xmn=1g 設置年輕代的總大小爲1g
  • -SurvivorRatio=8, 設置Eden和一個Survivor的比例爲8:1
  • -XX:+PringGCDetails

堆外內存(Non Heap)

Nio中的DirectByteBuffer就是堆外內存的一部分，這部份內存只能經過Full Gc進行清理。一些框架會經過System.gc調用手動觸發gc，可是在啓動參數中可能設置了禁止調用System.gc()。另外當設置堆過大時可能會形成堆外內存不夠致使OOM。

監控工具

監控工具幫助咱們在運行時或問題發生後分析現場，分析內存分佈狀態，哪裏致使內存泄漏等（本該被釋放的對象仍然被引用)。

命令行工具

HotspotJVM的bin目錄下有不少可用的工具。

jps

jps
jps -l
jps -lv

即java版的ps，能夠查看當前用戶啓動了哪些java進程。

jstat

pid指jps命令查看的java進程號

jstat -gcutil pid 1000 10

jstat是一個多種用途的工具，更多須要man jstat或直接輸入jstat查看提示。

jmap

jmap能夠查看內存情況

jmap -histo:live pid
jmap -dump:file=dump.bin,format=b,live
jmap -dump:file=dump.bin,format=b
dump下來的內存文件能夠經過MAT進行分析，經過分析引用鏈等分析內存泄漏位置

jstack

查看Java線程情況

jstack pid
jstack -F pid
能夠查看線程的狀態、名稱、代碼位置

javap (Java Printer)

javap 能夠用可讀的方法查看class文件內容，在遇到線上class文件問題，如NoSucheMethodError發生時，能夠快速進行判斷分析。如分析一個A.class文件，查看它的私有方法和字段。

javap -p -c -v A.class

可視化工具

JVisualVM

$JAVA_HOME/bin/jvisualvm

JMC

$JAVA_HOME/bin/jmc

JConsole

$JAVA_HOME/bin/jconsole

Class文件結構

Java編譯器將Java代碼編譯成class文件格式。 其中步驟包括了咱們熟悉的詞法分析將源文件轉換成token流。語法分析將token流轉換成抽象語法樹(AST)。語義分析分析語義是否正確。源代碼優化。目標代碼生成和目標代碼優化等步驟。最終獲得了class文件。以後在虛擬機中，class文件能夠經過解釋器解釋執行和經過即時編譯器(JIT-just in time)編譯成native代碼執行兩種方式執行。 class文件是有嚴格定義的。符合定義的class文件纔可以被JVM加載、驗證、初始化、執行。 咱們經過javap能夠查看一個class文件的內容。 Class文件能夠分爲如下幾個部分

  • Magic Number (0xCAFEBABY)
  • minor version, major version 如 0x0033 表明 00,51, 是java8版本
  • constant pool 常量池，常量池中包括了字段、方法、類的名稱的符號引用，符號引用會在運行時通過連接轉換爲直接引用。
  • access flags 類的private、public等修飾詞
  • this class 代表當前類的名稱
  • super class 父類
  • interfaces 實現的接口列表
  • fields class中定義的字段，每一個field又是一個結構體
  • methods 方法，包括MaxLocal, Max Stack,方法名，signature,access flags等。 代碼保存在方法的名稱爲Code的屬性中。
  • attributes

下面以一個簡單的類

public class Inc {
    public static void main() {
    }

    private int count;
    public void inc() {
        count++;
    }
}

看一下它的class文件，經過vim打開，在Normal模式下，按: 輸入%!xxd,便可轉換成16進製表示。而後能夠經過%!xxd -r轉換回來

0000000: cafe babe 0000 0034 0013 0a00 0400 0f09  .......4........
0000010: 0003 0010 0700 1107 0012 0100 0563 6f75  .............cou
0000020: 6e74 0100 0149 0100 063c 696e 6974 3e01  nt...I...<init>.
0000030: 0003 2829 5601 0004 436f 6465 0100 0f4c  ..()V...Code...L
0000040: 696e 654e 756d 6265 7254 6162 6c65 0100  ineNumberTable..
0000050: 046d 6169 6e01 0003 696e 6301 000a 536f  .main...inc...So
0000060: 7572 6365 4669 6c65 0100 0849 6e63 2e6a  urceFile...Inc.j
0000070: 6176 610c 0007 0008 0c00 0500 0601 0003  ava.............
0000080: 496e 6301 0010 6a61 7661 2f6c 616e 672f  Inc...java/lang/
0000090: 4f62 6a65 6374 0021 0003 0004 0000 0001  Object.!........
00000a0: 0002 0005 0006 0000 0003 0001 0007 0008  ................
00000b0: 0001 0009 0000 001d 0001 0001 0000 0005  ................
00000c0: 2ab7 0001 b100 0000 0100 0a00 0000 0600  *...............
00000d0: 0100 0000 0100 0900 0b00 0800 0100 0900  ................
00000e0: 0000 1900 0000 0000 0000 01b1 0000 0001  ................
00000f0: 000a 0000 0006 0001 0000 0003 0001 000c  ................
0000100: 0008 0001 0009 0000 0027 0003 0001 0000  .........'......
0000110: 000b 2a59 b400 0204 60b5 0002 b100 0000  ..*Y....`.......
0000120: 0100 0a00 0000 0a00 0200 0000 0700 0a00  ................
0000130: 0800 0100 0d00 0000 0200 0e0a            ............

經過javap來看一下它的結構

javap -v -p -c -s -l Inc
Classfile /Users/liuzhengyang/study/java/Inc.class
  Last modified Oct 6, 2016; size 315 bytes
  MD5 checksum 770dcaa972162765744184ffc14bc3c6
  Compiled from "Inc.java"
public class Inc
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#16         // Inc.count:I
   #3 = Class              #17            // Inc
   #4 = Class              #18            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               count
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               inc
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               Inc.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #16 = NameAndType        #5:#6          // count:I
  #17 = Utf8               Inc
  #18 = Utf8               java/lang/Object
{
  private int count;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

  public Inc();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public static void main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=0, locals=0, args_size=0
         0: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public void inc();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field count:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field count:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 10
}
SourceFile: "Inc.java"

字節碼指令集

bytecode保存在class文件的方法的Code屬性中。用一個byte表示操做指令，因此最多有256個指令。一個指令可能會有多個操做數。 操做指令能夠分爲如下幾類:

  • 數學運算，如iadd,i2c,imul,idiv
  • 條件分支, 如ifeq,if_icompeq, if_icmplt
  • 操做數棧和本地變量表的操做，如iload_0, iconst_0, ldc i bipush 100, astore_1, iinc, dup, swap, dup_x1,put_field, get_field, get_static, put_static等。
  • class操做，如new, checkcast, instanceof
  • 方法調用:1.invokespecial:調用構造器、私有方法和父類方法;2.invokestatic:調用靜態方法;3.invokevirtual:調用虛方法，通常的實例方法都是invokevirtual調用;4.invokeinterface:調用接口類的方法;5.invokedynamic,java中對動態語言的支持。 invokevirtual和invokeinterface經過第一個參數查找方法，動態分派，從而實現多態。

JMM (Java內存模型)

現代計算機的一本基本思想是分層模型，例如網絡上的分層。在存儲上，爲解決CPU和內存磁盤的速度有指數級差異的問題加入了不少緩存，利用局部性原理加快速度，從CPU寄存器到L1Cache、L2Cache、內存、磁盤，各個層的速度依次下降、空間增大、單位bit造價下降。最近CPU的處理能力的垂直增長彷佛遇到瓶頸，轉而向多核方向發展，多個cpu核可能各自緩存本身的內容，又出現了緩存一致性問題。CPU有一些緩存一致性協議，MESI等。CPU還可能會對機器指令進行亂序執行。JVM爲了屏蔽底層的這些差別，提出了Java內存模型，即JMM(Java Memory Model),來保證Write One Run Anywhere。開發者面向JMM編程，經過JMM提供的一致性保證和工具，就能保證一致性問題。 JMM模型中，每一個線程會有一個私有的內存區域用於緩存讀和寫，各個線程共享一個主內存。 一個重要的概念是happen-before原則。 happen-before用來描述兩個操做的偏序關係，若是Ahappen-beforeB，那個A的操做的結果、產生的影響可以被B看到。 若是咱們有兩個動做x和y，咱們記hb(x,y)爲x happen before y JMM提供的基礎的happen-before規則有

  • 同一個線程內，x在y前面，則hb(x,y)
  • 若是hb(x,y) 而且 hb(y, z) ，則 hb(z,z)
  • 一個監視器鎖的unlock happen before 以後每個對該監視器的lock
  • 一個volatile字段 寫操做 happen before 以後的每個讀
  • 一個線程的start操做happen-before 線程內的任何操做
  • 線程內的任何操做都happen-before 任何從該線程的join()方法返回的

happen-before並不要求在以前發生，只需可以看到操做的結果便可，對應的實現能夠進行重排序或消除鎖，只要保證外觀正確。

最後總結

以上的總結梳理權當拋磚引入，幫助你們梳理知識結構，更多細節還需經過查看源碼、親自探索，真像就在那代碼中。並且每一個知識點又可以引出一篇筆記分析，以後後補充更多細節文章。

參考

  • JLS
  • JVMS
  • 深刻理解Java虛擬機
  • Inside The Java Virtual Machine

博客地址: liuzhengyang

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