為什么要學習了解Java虛擬機

1.我們需要更加清楚的了解Java底層是如何運作的，有利于我們更深刻的學習好Java。

2.對我們調試錯誤提供很寶貴的經驗。

3.這是合格的Java程序必須要了解的內容。

本文跟大家聊聊JVM的內部結構，從組件中的多線程處理，JVM系統線程，局部變量數組等方面進行解析

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JVM

JVM = 類加載器(classloader) + 執行引擎(execution engine) + 運行時數據區域(runtime data area)

下面這幅圖展示了一個典型的JVM(符合JVM Specification Java SE 7 Edition)所具備的關鍵內部組件。

 

 

組件中的多線程處理

多線程處理”或“自由線程處理”指的是一個程序同時執行多個操作線程的能力。 作為多線程應用程序的一個示例，某個程序在一個線程上接收用戶輸入，在另一個線程上執行多種復雜的計算，并在第三個線程上更新數據庫。 在單線程應用程序中，用戶可能會花費時間等待計算或數據庫更新完成。 而在多線程應用程序中，這些進程可以在后臺進行，因此不會浪費用戶時間。 多線程處理可以是組件編程中的一個非常強大的工具。通過編寫多線程組件，您可以創建在后臺執行復雜計算的組件，它們允許用戶界面 (UI) 在計算的過程中自由地響應用戶輸入。 雖然多線程處理是一個強大的工具，但是要將其正確應用卻比較困難。 未能正確實現的多線程代碼可能降低應用程序性能，或甚至導致應用程序凍結。 下列主題將向您介紹多線程編程的一些注意事項和最佳做法。.NET Framework 提供幾個在組件中進行多線程處理的選項。 System.Threading 命名空間中的功能是一個選項。 基于事件的異步模式是另一個選項。 BackgroundWorker 組件是對異步模式的實現;它提供封裝在組件中以便于使用的高級功能。

JVM內存管理機制

(1)內存區域與內存溢出異常

(2)垃圾收集器與內存分配策略

(3)虛擬機性能監控與故障處理工具

JVM調優

1.JVM執行子系統

(1)類文件結構

(2)類加載機制

(3)字節碼執行引擎

2.程序編譯與代碼優化

(1)編譯期優化

(2)運行期優化

3.實戰調優案例與解決方法

 

 

JVM系統線程

如果你用jconsole或者任何其他的debug工具查看，可能會看到有許多線程在后臺運行。這些運行著的后臺線程不包含主線程，主線程是基于執行publicstatic void main(String[]) 的需要而被創建的。而這些后臺線程都是被主線程所創建。在HotspotJVM中主要的后臺系統線程，見下表：

 

 

單個線程

每個線程的一次執行都包含如下的組件

程序計數器(PC)

除非當前指令或者操作碼是原生的，否則當前指令或操作碼的地址都需要依賴于PC來尋址。如果當前方法是原生的，那么該PC即為undefined。所有的CPU都有一個PC，通常PC在每個指令執行后被增加以指向即將執行的下一條指令的地址。JVM使用PC來跟蹤正在執行的指令的位置。事實上，PC被用來指向methodarea的一個內存地址。

原生棧

不是所有的JVM都支持原生方法，但那些支持該特性的JVM通常會對每個線程創建一個原生方法棧。如果對JVM的JNI(JavaNative Invocation)采用c鏈接模型的實現，那么原生棧也將是一個C實現的棧。在這個例子中，原生棧中參數的順序 、返回值都將跟通常的C程序相同。一個原生方法通常會對JVM產生一個回調(這依賴于JVM的實現)并執行一個Java方法。這樣一個原生到Java的調用發生在棧上(通常在Java棧)，與此同時線程也將離開原生棧，通常在Java棧上創建一個新的frame。

棧

每個線程都有屬于它自己的棧，用于存儲在線程上執行的每個方法的frame。棧是一個后進先出的數據結構，這可以使得當前正在執行的方法位于棧的頂部。對于每個方法的執行，都會有一個新的frame被創建并被入棧到棧的頂部。當方法正常的返回或在方法執行的過程中遇到未捕獲的異常時frame會被出棧。棧不會被直接進行操作，除了push/ pop frame 對象。因此可以看出，frame對象可能會被分配在堆上，并且內存也沒必要是連續的地址空間(請注意區分frame的指針跟frame對象)。

棧的限制

一個棧可以是動態的或者是有合適大小的。如果一個線程要求更大的棧，那么將拋出StackOverflowError異常;如果一個線程要求新創建一個frame，又沒有足夠的內存空間來分配，將會拋出OutOfMemoryError異常。

Frame

對于每一個方法的執行，一個新frame會被創建并被入棧到棧頂。當方法正常返回或在方法執行的過程中遇到未捕獲的異常，frame會被出棧。

局部變量數組

局部變量數組包含了在方法執行期間所用到的所有的變量。包含一個對this的引用，所有的方法參數，以及其他局部定義的變量。對于類方法(比如靜態方法)，方法參數的存儲索引從0開始;而對于實例方法，索引為0的槽都為存儲this指針而保留。

操作數棧

操作數棧在字節碼指令被執行的過程中使用。它跟原生CPU使用的通用目的的寄存器類似。大部分的字節碼都把時間花費在跟操作數棧打交道上，通過入棧、出棧、復制、交換或者執行那些生產/消費值的操作。對字節碼而言，那些在局部變量數組和操作數棧之間移動值的指令是非常頻繁的。

動態鏈接

每個frame都包含一個對運行時常量池的引用。該引用指向將要被執行的方法所屬的類的常量池。該引用也用于輔助動態鏈接。

當一個Java類被編譯時，所有對存儲在類的常量池中的變量以及方法的引用都被當做符號引用。一個符號引用僅僅只是一個邏輯引用而不是最終指向物理內存地址的引用。JVM的實現可以選擇解析符號引用的時機，該時機可以發生在當類文件被驗證后、被加載后，這稱之eager或靜態分析;不同的是它也可以發生在當符號引用被首次使用的時候，稱之為lazy或延遲分析。但JVM必須保證：解析發生在每個引用被首次使用前，同時在該時間點，如果遇到分析錯誤能夠拋出異常。綁定是一個處理過程，它將被符號引用標識的字段、方法或類替換為一個直接引用。這個處理過程只發生一次，因為符號引用需要被完全替換。如果一個符號引用關聯著一個類，而該類還沒有被解析，那么該類也會被立即加載。每個直接引用都被以偏移的方式存儲，該存儲結構關聯著變量或方法的運行時位置。

線程之間共享

堆

• 堆中某個節點的值總是不大于或不小于其父節點的值;
• 堆總是一棵完全二叉樹。

將根節點最大的堆叫做最大堆或大根堆，根節點最小的堆叫做最小堆或小根堆。常見的堆有二叉堆、斐波那契堆等。

堆的定義如下：n個元素的序列{k1,k2,ki,…,kn}當且僅當滿足下關系時，稱之為堆。

(ki <= k2i,ki <= k2i+1)或者(ki >= k2i,ki >= k2i+1), (i = 1,2,3,4...n/2) 

若將和此次序列對應的一維數組(即以一維數組作此序列的存儲結構)看成是一個完全二叉樹，則堆的含義表明，完全二叉樹中所有非終端結點的值均不大于(或不小于)其左、右孩子結點的值。由此，若序列{k1,k2,…,kn}是堆，則堆頂元素(或完全二叉樹的根)必為序列中n個元素的最小值(或最大值)

非堆式內存

有些對象并不會創建在堆中，這些對象在邏輯上被認為是JVM機制的一部分。

非堆式的內存包括：

• 永久代中包含：
• 方法區
• 內部字符串
• 代碼緩存：用于編譯以及存儲方法，這些方法已經被JIT編譯成本地代碼

內存管理

對象和數組永遠都不會被顯式釋放，因此只能依靠垃圾回收器來自動地回收它們。

通常，以如下的步驟進行：

新對象和數組被創建在年輕代

次垃圾回收器將在年輕代上執行。那些仍然存活著的對象，將被從eden區移動到survivor區

主垃圾回收器將會把對象在代與代之間進行移動，主垃圾回收器通常會導致應用程序的線程暫停。那些仍然存活著的對象將被從年輕代移動到老年代

永久代會在每次老年代被回收的時候同時進行，它們在兩者中其一滿了之后都會被回收

JIT編譯

JIT具體的做法是這樣的:當載入一個類型時,CLR為該類型創建一個內部數據結構和相應的函數,當函數第一被調用時,JIT將該函數編譯成機器語言.當再次遇到該函數時則直接從cache中執行已編譯好的機器語言.

方法區

所有的線程共享相同的方法區。所以，對于方法區數據的訪問以及對動態鏈接的處理必須是線程安全的。如果兩個線程企圖訪問一個還沒有被載入的類(該類必須只能被加載一次)的字段或者方法，直到該類被加載完成，這兩個線程才能繼續執行。

類的文件結構

一個被編譯過的類文件包含如下的結構：

ClassFile { u4magic; u2minor_version; u2major_version; u2constant_pool_count; cp_infocontant_pool[constant_pool_count – 1]; u2access_flags; u2this_class; u2super_class; u2interfaces_count; u2interfaces[interfaces_count]; u2fields_count; field_infofields[fields_count]; u2methods_count; method_infomethods[methods_count]; u2attributes_count; attribute_infoattributes[attributes_count];} 

 

 

可以使用javap命令查看被編譯后的java類的字節碼。

下面列出了在該類文件中，使用到的操作碼：

 

 

就像在其他通用的字節碼中那樣，以上這些操作碼主要用于跟本地變量、操作數棧以及運行時常量池打交道。

構造器有兩個指令，第一個將“this”壓入到操作數棧，接下來該構造器的父構造器被執行，這一操作將導致this被“消費”，因此this將從操作數棧出棧。

 

 

而對于sayHello()方法，它的執行將更為復雜。因為它不得不通過運行時常量池，解析符號引用到真實的引用。第一個操作數getstatic，用來入棧一個指向System類的靜態字段out的引用到操作數棧。接下來的操作數ldc，入棧一個字符串字面量“Hello”到操作數棧。最后，invokevirtual操作數，執行System.out的println方法，這將使得“Hello”作為一個參數從操作數棧出棧，并為當前線程創建一個新的frame。

 

 

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類加載器

JVM的啟動是通過bootstrap類加載器來加載一個用于初始化的類。在publicstatic void main(String[])被執行前，該類會被鏈接以及實例化。main方法的執行，將順序經歷加載，鏈接，以及對額外必要的類跟接口的初始化。

加載: 加載是這樣一個過程：查找表示該類或接口類型的類文件，并把它讀到一個字節數組中。接著，這些字節會被解析以確認它們是否表示一個Class對象以及是否有正確的主、次版本號。任何被當做直接superclass的類或接口也一同被加載。一旦這些工作完成，一個類或接口對象將會從二進制表示中創建。

鏈接: 鏈接包含了對該類或接口的驗證，準備類型以及該類的直接父類跟父接口。簡而言之，鏈接包含三個步驟：驗證、準備以及解析(optional)

驗證:該階段會確認類以及接口的表示形式在結構上的正確性，同時滿足Java編程語言以及JVM語義上的要求。

在驗證階段執行這些檢查意味著在運行時可以免去在鏈接階段進行這些動作，雖然拖慢了類的加載速度，然而它避免了在執行字節碼的時候執行這些檢查。

準備:包含了對靜態存儲的內存分配以及JVM所使用的任何數據結構(比如方法表)。靜態字段都被創建以及實例化為它們的默認值。然而，沒有任何實例化器或代碼在這個階段被執行，因為這些任務將會發生在實例化階段。

解析:是一個可選的階段。該階段通過加載引用的類或接口來檢查符號引用是否正確。如果在這個點這些檢查沒發生，那么對符號引用的解析會被推遲到直到它們被字節碼指令使用之前。

實例化 類或接口，包含執行類或接口的實例化方法：

 

 

在JVM中存在多個不同職責的類加載器。每一個類加載器都代理其已被加載的父加載器(除了bootstrap類加載器，因為它是根加載器)。

Bootstrap類加載器：當java程序運行時，java虛擬機需要裝載java類，這個過程需要一個類裝載器來完成。而類裝載器本身也是一個java類，這就出現了類似人類的第一位母親是如何產生出來的問題。

其實，java虛擬機中內嵌了一個稱為Bootstrap的類裝載器，它是用特定于操作系統的本地代碼實現的，屬于java虛擬機的內核，這個Bootstrap類裝載器不用專門的類裝載器去裝載。Bootstrap類裝載器負責加載java核心包中的類。

Extension 類加載器：從標準的Java擴展API中加載類。例如，安全的擴展功能集。

System 類加載器：這是應用程序默認的類加載器。它從classpath中加載應用程序類。

用戶定義的類加載器：可以額外得定義類加載器來加載應用程序類。用戶定義的類加載器可用于一些特殊的場景，比如：在運行時重新加載類或將一些特殊的類隔離為多個不同的分組(通常web服務器中都會有這樣的需求，比如Tomcat)。

更快的類加載

一個稱之為類數據共享(CDS)的特性自HotspotJVM 5.0開始被引進。在安裝JVM期間，安裝器加載一系列的Java核心類(如rt.jar)到一個經過映射過的內存區進行共享存檔。CDS減少了加載這些類的時間從而提升了JVM的啟動速度，同時允許這些類在不同的JVM實例之間共享。這大大減少了內存碎片。

方法區的位置

JVM Specification Java SE 7 Edition清楚地聲明：盡管方法區是堆的一個邏輯組成部分，但最簡單的實現可能是既不對它進行垃圾回收也不壓縮它。然而矛盾的是利用jconsole查看Oracle的JVM的方法區(以及CodeCache)是非堆形式的。OpenJDK代碼顯示CodeCache相對ObjectHeap而言是VM中一個獨立的域。

類加載器引用

類通常是按需加載，即第一次使用該類時才加載。由于有了類加載器，Java運行時系統不需要知道文件與文件系統。

運行時常量池

JVM對每個類型維護著一個常量池，它是一個跟符號表相似的運行時數據結構，但它包含了更多的數據。Java的字節碼需要一些數據，通常這些數據會因為太大而難以直接存儲在字節碼中。取而代之的一種做法是將其存儲在常量池中，字節碼包含一個對常量池的引用。運行時常量池主要用來進行動態鏈接。

幾種類型的數據會存儲在常量池中，它們是：

• 數值字面量
• 字符串字面量
• 類的引用
• 字段的引用
• 方法的引用

如果你編譯下面的這個簡單的類：

package org.jvminternals;public class SimpleClass { public void sayHello() {System.out.println("Hello");}} 

生成的類文件的常量池，看起來會像下圖所示：

Constant pool: #1 = Methodref #6.#17 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Fieldref #18.#19 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;#3 = String #20 // "Hello"#4 = Methodref #21.#22 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V#5 = Class #23 // org/jvminternals/SimpleClass#6 = Class #24 // java/lang/Object#7 = Utf8 <init> #8 = Utf8 ()V #9 = Utf8 Code #10 = Utf8 LineNumberTable #11 = Utf8 LocalVariableTable #12 = Utf8 this #13 = Utf8 Lorg/jvminternals/SimpleClass; #14 = Utf8 sayHello #15 = Utf8 SourceFile #16 = Utf8 SimpleClass.java #17 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V#18 = Class #25 // java/lang/System#19 = NameAndType #26:#27 // out:Ljava/io/PrintStream;#20 = Utf8 Hello #21 = Class #28 // java/io/PrintStream#22 = NameAndType #29:#30 // println:(Ljava/lang/String;)V#23 = Utf8 org/jvminternals/SimpleClass #24 = Utf8 java/lang/Object#25 = Utf8 java/lang/System #26 = Utf8 out#27 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; #28 = Utf8 java/io/PrintStream #29 = Utf8 println #30 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V 

常量池中包含了下面的這些類型：

 

 

異常表

異常表存儲了每個異常處理器的信息：

• 起始點
• 終止點
• 處理代碼的PC偏移量
• 被捕獲的異常類的常量池索引

如果一個方法定義了try-catch或try-finally異常處理器，那么一個異常表將會被創建。它包含了每個異常處理器的信息或者finally塊以及正在被處理的異常類型跟處理器代碼的位置。

當一個異常被拋出，JVM會為當前方法尋找一個匹配的處理器。如果沒有找到，那么該方法最終會唐突地出棧當前stackframe而異常會被重新拋出到調用鏈(新的frame)。如果在所有的frame都出棧之前還是沒有找到異常處理器，那么當前線程將會被終止。當然這也可能會導致JVM被終止，如果異常被拋出到最后一個非后臺線程的話，比如該線程就是主線程。

最終異常處理器會匹配所有的異常類型并且無論什么時候該類型的異常被拋出總是會得到執行。在沒有異常拋出的例子中，finally塊仍然會在方法的最后被執行。一旦return語句被執行就會立即跳轉到finally代碼塊繼續執行。

字符比較

字符比較(character comparison)是指按照字典次序對單個字符或字符串進行比較大小的操作，一般都是以ASCII碼值的大小作為字符比較的標準。

符號表

符號表在編譯程序工作的過程中需要不斷收集、記錄和使用源程序中一些語法符號的類型和特征等相關信息。這些信息一般以表格形式存儲于系統中。如常數表、變量名表、數組名表、過程名表、標號表等等，統稱為符號表。對于符號表組織、構造和管理方法的好壞會直接影響編譯系統的運行效率。

在JVM中，內部字符串被存儲在字符串表中。字符串表是一個hashtable映射對象指針到符號(比如：Hashtable

當類被加載時，字符串字面量會被編譯器自動“內部化”并且被加入到字符表。另外字符串類的實例可以通過調用String.intern()來明確地內部化。當String.intern()被調用，如果符號表里已經包含該字符串，那么指向該字符串的引用將被返回。如果該字符串沒有包含在字符表，則會被加入到字符串表同時返回其引用