0.学习准备

  1. 基础落下了很多了，是时候啃一波JVM了
    感觉很深奥，就先从视频看起，以后再看书补充啦
  2. 参考资料
    参考书籍《深入理解Java虚拟机》
    参考视频《深入理解JVM》(主要学习)
  3. JVM原理
    • JVM的概念
    • JVM的发展史
    • JVM的种类
    • Java语言规范
    • JVM规范
  4. JVM运行机制
    • JVM启动流程
    • JVM基本结构
    • 内存模型
    • 编译和解释运行的概念

1.JVM的概念

1)虚拟机简介：

  1. JVM：
    Java Virtual Machine的简称。意为Java虚拟机。
  2. 虚拟机：
    指通过软件模拟的具有完整硬件功能的、运行在一个完全隔离的环境中的完整计算机系统。
  3. 常见的虚拟机：
    • JVM
    • VMwave
    • Virtual Box

2)JVM和其他两个虚拟机的区别：

  1. VMwave与VirtualBox是通过软件模拟物理CPU的指令集
    物理系统中会有很多的寄存器
  2. JVM则是通过软件模拟Java字节码的指令集
    JVM中只是主要保留了PC寄存器，其他的寄存器都进行了裁剪
  3. JVM是一台被定制过的现实当中不存在的计算机。

2.JVM和Java的发展史

1)20世纪Java发展：

  1. 1996年SUN JDK 1.0时发布：Classic VM
    • 纯解释运行，使用外挂进行JIT(编译器)
  2. 1997年JDK 1.1发布：
    • AWT、内部类、JDBC、RMI、反射(Java的核心)
    • RMI:远程方法调用(Remote Method Invocation)。能够让在某个java虚拟机上的对象像调用本地对象一样调用另一个java 虚拟机中的对象上的方法。
  3. 1998年JDK 1.2发布：Solary Exact VM(仅存在了很短的时间)
    • JIT和解释器混合执行
    • Accurate Memory Management 精确内存管理，数据类型敏感
    • 提升GC性能
  4. JDK1.2开始成为Java2(J2SE,J2EE,J2ME出现)
    并且加入了Swing Collection。

2)二零零几年：

  1. 2000年JDK1.3：Hotsport作为默认虚拟机发布
    JDK1.3加入了JavaSound
  2. 2002年JDK1.4：Classic VM退出历史舞台
    1.4更新内容：Assert，正则表达式，NIO，IPV6，日志API，加密类库，异常链，XML解析器等。
  3. 2004年JDK1.5即JDK5,Java5（很重要的一个版本）
    Java5更新内容：泛型，注解，装箱，枚举，可变长参数，Foreach循环。
    虚拟机层面：改进了Java内存模型(JMM)，提供了JUC并发包。
  4. JDK1.6 java6：
    更新内容：脚本编程的支持(动态语言支持)，jdbc4.0，Java编译器API，微型Http服务器API等。
    虚拟机层面：锁与同步，垃圾收集，类加载等算法的改动
  5. JDK1.6发布后由于一系列原因，JDK有好几年都没有大更新。JDK1.6一共有37个Update版本。

3)二零一几年：

  1. 2011年JDK1.7/Java7发布：
    指定了十个里程碑但是始终无法完成，未完成的项目推到Java8(模块化则推到了Java9)。
    • G1收集器(Update4才正式发布)
    • 加强对非Java语言的调用支持
    • 升级类加载器架构
    • 64位系统压缩指针
    • NIO2.0
  2. 2014年Java8发布：
    • Lamda表达式
    • 语法增强
    • Java类型注释等
  3. 2016年Java9发布：
    • 模块化

4)Java与JVM发展历史中的大事件：

  1. 使用最广泛的JVM为HotSpot
  2. HotSpot最早为Longview Technologies开发，被SUN收购
  3. 2006年，Java开源，并建立OpenJDK
    • HotSpot成为SUN JDK和OpenJDK中所带的虚拟机
  4. 2008年，Oracle收购BEA
    • 得到JRockit VM
  5. 2010年Oracle收购SUN
    • 得到HotSpot
  6. Orcale宣布在JDK8时整合HotSpot和JRockit VM，优势互补
    • 在HotSpot的基础上移植JRockit的优秀特性

3.JVM的种类

  1. KVM:
    • SUN发布
    • IOS和Android兴起之前，广泛应用与手机系统
  2. CDC/CLDC HotSpot
    • 手机、电子书、PDA等设备上的统一Java编程接口
    • J2ME的重要组成部分
    • 同样在IOS和Android兴起之后受到了很大的挑战
  3. JRockit:
    • BEA
  4. IBM J9 VM：
    • 仅在IBM内部使用
  5. Apache Harmony
    • 兼容JDK1.5和1.6的Java程序运行平台，开源
    • 与Orcale关系恶劣，退出JCP，Java社区分裂
    • OpenJDK出现后受到挑战，于2011年退役
    • 没有大规模的商用经历
    • 对Android的发展又积极作用

4.Java及JVM规范

Java语言规范：

  • 语法
  • 变量
  • 类型
  • 文法

JVM规范：

  • Class文件类型
  • 运行时数据
  • 帧栈
  • 虚拟机的启动
  • 虚拟机的指令集

1)Java语言规范：

  1. 语法：
  2. 词法结构：
    • \u+4个16进制数字，表示UTF-16
    • 行终结符：CR,or LF,or CR LF
    • 空白符的定义：
      空格 tab \t(换页) \f(行终结符)
    • 注释
    • 标识符：就是变量名啊那种
      不能是布尔型，关键字，Null
    • 关键字
  3. 词法结构中的数值的表示：允许使用下划线
    • int：
      如：0 2 0237 0xDada_cafe 0x00_FF__00_FF
    • long：
      如： 0l 2L 0x1000000l 2_17_483_648L 0xC0B0L
    • float：
      如：1e1f 2.f .3f 3.14f 6.66666e+23f
    • double
      如：1e1f 2. .3 3.14 1e-9d 1e137
    • 操作：
      如：+= -= *= /= &= |= ^= %= < <= > >= …
  4. 类型和变量：
    • 元类型：
      byte，short，int，long，float，char
    • 变量初始值：
      • boolean false
      • char \u0000
    • 泛型：
  5. 元数据类型和对象(封装类型)的差异：
  6. 其他语言规范：
    • Java内存模型
    • 类加载链接的过程
    • public final static abstract的定义
    • 异常
    • 数组的使用
    • 。。。
  7. Java规范定义了什么是Java语言

JVM规范

2)JVM规范：

  1. Java语言和JVM是相对独立的：
    运行在JVM上的语言还有：Groovy，Clojure，Scala
    能在JVM上运行说明这些语言都是符合JVM规范的。
  2. JVM只要定义了二进制class文件和JVM指令集等。
  3. JVM规范主要定义的内容：
    • Class文件格式
    • 数字的内部表示和存储：(Java中没有无符号数)
      如：Byte -128 to 127(-2^7到2^7-1)
    • ReturnAddress数据类型定义：
      指向操作码的指针。不对应Java的数据类型，不能在运行时修改。Finally实现需要。(在Java中找不到该数据类型)
    • 定义PC
    • 堆
    • 栈
    • 方法区
  4. JVM当中整数的表达：
    • 原码：第一位符号位（0为正数，1为负数）
    • 反码：符号位不动，原码取反
    • 负数补码：符号位不动，反码加一
    • 正数补码：与原码相同
  5. 打印出整数在二进制当中的表示：
    int a=-6;想要打印为二进制的整数
for(int i=0;i<32;i++){     //整数32位，每次取一位
    int t=(a&0x800000000>>>i)>>>(31-i);
    System.out.print(t);
}
    0x800000000代表最高位为1的数字。
  6. 为什么要使用补码：
    • 0的表示：不管算正算负补码都是一样的(无歧义表示0)
    • 补码能很好的参与计算机之间的计算：
  7. Float的表示与定义：支持IEEE754
    • s eeeeeeee (x)mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm
      s:符号位；e:8位指数位；m:23尾数位;x:附加位(不写出，由JVM给出)
    • 尾数附加位的值由指数位确定：
      • 指数位e全为0，则尾数附加位为0，否则尾数附加位为1
    • 最后的数值：e要进行位移
      s*m*2^(e-127)
    • 如-5的表示：
  8. 一些特殊的方法：
    • <init>:默认的构造函数(无参)
    • <clinit>:类的初始化方法
  9. JVM指令集：
    • 类型转换：l2i(长整型转整型)
    • 出栈入栈操作：(JVM中没有寄存器，数据传递依靠栈，所以又很多栈的指令)
      aload,astore
    • 运算：iadd,isub等
    • 流程控制：ifeq相等，ifne不相等
    • 函数调用：
      invokevirtual、invokeinterface、invokespecial、invokestatic等
  10. JVM对Java Library提供以下支持(Java无法实现)：
    • 反射 java.lang.reflect
    • 类加载器 ClassLoader
    • 初始化class和interface
    • 安全相关 java.security
    • 多线程
    • 弱引用

  11. JVM的编译与反编译：

    • 源码到JVM指令的对应格式
    • javap
    • JVM反汇编格式：
      1
      2
      <index> <opcode> [<operand1>[<operand2>...]] [comment]
      操作码    操作 		操作数   				    注解

  12. 反编译的例子：一个for循环的执行过程

5.JVM的启动流程

简单流程图：

  1. 第一步：启动JVM——Java或者Javaw命令后面跟一个启动类
    JAVA XXX,启动类中一般都有一个main方法。
  2. 第二步：装载配置
    会根据当前路径和系统版本寻找jvm.conf文件，找到文件之后会去定位所需要的dll文件。
  3. 第三步：根据配置寻找JVM.dll
    需要寻找的是匹配当前系统版本的dll
    JVM.dll为JVM的主要实现
    使用JVM.dll初始化虚拟机，获得相关的一系列native调用接口。
  4. 第四步：初始化JVM，获得JNIEnv接口。
    JNIEnv为JVM接口，findClass等操作通过它实现。
  5. 第五步：找到Main方法并允许

6.JVM基本结构简介

简单示意图：

  1. 类加载器子系统：ClassLoader
    将Class文件加载到JVMz中
  2. PC寄存器：又称为程序计数器
    虚拟机运行时需要有指针指向下一条指令的地址。
  3. 执行引擎：执行类的字节码
  4. 垃圾收集器：很重要的一个模块
  5. 本地方法栈暂时不过多介绍。

pc寄存器，方法区与Java堆

1)pc寄存器

  • 又称为程序计数器
  • 每个线程都有一个PC寄存器
  • 在线程创建时创建
  • 总是指向下一条指令的地址
  • 执行本地方法时，PC寄存器的值为空(undefined)

2)方法区：

  1. 保存装载的类的信息：
    • 常量(除字符串常量)
    • 静态变量
    • 字段方法信息
    • 编译后的字节码
  2. 有一个别名叫Non-Heap(非堆)
  3. JDK6时String常量信息置于方法，JDK7时已经移动到了堆。
  4. 方法区经常被称为”永久区”，仅仅是因为涉及团队将GC分代收集扩展至方法区(使用永久代实现的方法区)，保存一些相对稳定的信息。
  5. 所有线程共享的内存区域，由虚拟机维护。

3)Java堆：

  1. 和程序开发最为密切的一个区间
  2. 简介：
    • 和程序开发密切相关
    • 应用系统对象都保存在Java堆中
    • 所有线程共享的Java堆
    • 对分代GC来说，堆也是分代的
    • GC的主要工作区间
    • 不同的GC算法也对应着不同的堆

7.Java栈

1)Java栈，局部变量表与帧

  1. Java栈：又叫做Java虚拟机栈
    • 线程私有
    • 栈由一系列帧组成，因此栈也叫帧栈
    • 帧保存一个方法的局部变量，操作数栈，动态链接，操作出口，常量池指针等
    • 每一次方法的调用创建一个帧，并且压栈。
    • 先进后出的数据结构
  2. 局部变量表：包括了函数的参数以及局部变量
    如有两个方法如下：(一个静态方法，一个实例方法)

    则这俩方法的局部变量表如下：
  3. 上面的局部变量表的说明：
    • 分为很多个槽，一个槽占32位。
    • long，double类型占两个槽，对象类型则会变成引用(reference)。
    • 实例方法的第一个槽是对自身的引用。
  4. 函数的调用组成帧栈：
    如一个递归方法：
    public static int runStatic(int i,long l,float f,Object o,byte b){
    return runStatic(i,l,f,b);
}
    则该方法的帧栈结构如下：

    每一次调用就会往上面压一个栈，直到栈溢出。

2)操作数栈：

  1. Java中没有寄存器，所有的参数传递依靠操作数栈。
  2. 简单的例子:
  3. 简单过程示意图：

3)栈上分配：

  1. 堆上分配：(C++代码)

    new一个对象后需要收动删除。(JVM则有GC回收)
    分配了内存空间但是没有进行回收：内存泄露
    内存泄露很难察觉，难以全面修复。
  2. 栈上分配：不需要手动删除

    这时是一个对象引用，这种情况的到的对象是分配在栈上的，调用完成后自动清理。
    栈上分配不用担心内存泄露的问题。
  3. 有一段分配代码：

    分别使用栈上分配与堆上分配运行：

    栈上分配只用了5ms,堆上分配会触发垃圾回收，时间也多达564ms。
    (但是很明显不是所有对象都能分配到栈上的，否则还要GC啥用)
  4. 栈上分配也不是完美的：
    • 小对象(一般几十byte),没有逃逸的情况下可以分配到栈上。
    • 直接分配到栈上可以自动回收，减轻GC压力
    • 大对象，或者逃逸对象无法栈上分配。
      （逃逸：对象在这个线程要用，在其他线程也要使用。栈是线程私有，不能分配到栈上)

4)堆，栈，方法区交互：

  1. 所运行的代码：
  2. 交互示意图：
  3. 简单来说就是类的信息放在了方法区，运行后实例对象放在了堆中，对对象的引用放在栈中。(每个线程会单独分配一个栈空间)

8.Java内存模型

1)内存模型简介：

  1. 示意图：
  2. 内存模型：
    • 每一个线程有一个和主存独立的工作内存。
    • 工作内存存放的是主存中的变量值的拷贝。
  3. 内存运行过程：
    • 原子操作不能被中断，但是原子操作之间可以被中断。
    • 简单来说就是主存执行读写，而工作内存复负责一些和线程交互的工作。
  4. 多线程下的内存模型：

2)Volatile：

  1. 详细的用法可以参考前面的学习笔记：
    《Java多线程编程核心技术》笔记（二）
  2. Volatile的性能一般会比锁好(重量级锁)，但是不能代替锁。
    是否选择Volatile的条件：语义是否满足应用。
  3. 需要使用-server运行才有效果。

9.内存模型的相关概念：

主要概念有：

  • 可见性
    • 保证可见性方法
  • 有序性
  • 指令重排序
    • 保证线程有序性
    • 重排基本原则

1)可见性与有序性：

  1. 可见性：
    • 一个线程修改了变量，其他线程可以立刻知道。
  2. 保证数据可见性的方式：
    • Volatile
    • Synchronized（上锁时是写回主存的）
    • final（一旦初始化完成，其他线程可见）
  3. 有序性：
    • 在线程内，所有的操作都是有序的。
    • 在线程外观察，操作都是无序的( 指令重排 或 主内存同步延时 )

2)指令重排：
程序运行时编译系统会尽可能让性能更加好，就有可能对一些代码指令进行重排序。

  1. 示意过程：
  2. 保证线程内的语义串行，线程间则无所谓。
  3. 视频中的例子：

    a=1和flag=true没有语义冲突，所以本身就是无序的，这两者谁先执行都没有关系。
  4. 同步：保证线程之间的有序性

3)指令重排原则：(先行性原则)

  • 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性。
  • Volatile规则：volatile变量的读一定要在写前面。
  • 锁规则：解锁必然发生在后面的加锁前。
  • 传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C。
  • 线程的start方法先于它的每一个动作
  • 线程的所有操作先于线程的终极(join)
  • 线程的中断先于被中断线程的代码
  • 对象的构造函数执行结束先于finalize()方法

10.字节码运行的两种方式：

  1. 解释执行：
    • 解释执行以解释的方式运行字节码
    • 读一句执行一句
  2. 编译运行：(JIT)
    • （运行时）将字节码编译成机器码
    • 直接执行机器码
    • 运行时编译
    • 编译后性能很大提升
      （保守估计编译执行性能比解释执行快十倍以上）

最后更新： 2018年05月18日 18:30

原始链接： https://zjxkenshine.github.io/2018/04/28/JVM学习笔记（一）：初识JVM/

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