Java虚拟机原理

1、编译机制

  • 分析和输入到符号表:
    词法分析:将代码转化为token序列
    语法分析:由token序列生成抽象语法树
    输入到符号表:将类中出现的符号输入到类的符号表

  • 注解处理:
    处理用户自定义注解,之后继续第一步

  • 根据符号表进行语义分析并生成class文件,并进行相关优化

虚拟机数据类型、字节码文件格式、虚拟机指令集

2、执行机制

2.1、加载、链接、初始化

2.1.1、加载

双亲委派、线程上下文类加载器、Web容器、OSGi:
http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/

2.1.2、链接

校验:校验二进制字节码格式是否符合Java Class File Format规范
准备:为类的静态属性分配内存和默认值,并加载引用的类或接口
解析:将运行时常量池中的符号引用替换为直接引用(静态绑定)

2.1.3、初始化

类的初始化时机:
1) 创建类的实例
2) 初始化某个类的子类(满足主动调用,即访问子类中的静态变量、方法)
3) 反射(Class.forName()会触发,ClassLoader.loadClass()及X.class不会触发)
4) 访问类或接口的静态变量(static final常量除外,static final变量可以)
5) 调用类的静态方法
6) java虚拟机启动时被标明为启动类的类

初始化顺序:
父类静态成员、静态代码块—>子类静态成员、静态代码块—>父类和子类实例成员内存分配—>父类实例成员、代码块—>父类构造函数—>子类实例成员、代码块—>子类构造函数

2.2、内存结构

运行时数据区:

2.2.1、Java堆

JVM在Eden区分配一块内存为TLAB,在TLAB创建对象时不需要加锁,所以JVM首先在TLAB上创建对象,不够则在堆上创建。  

2.2.2、方法区

静态绑定、动态绑定:
http://hxraid.iteye.com/blog/428891

2.2.3、JVM栈

2.3、垃圾回收

2.3.1、对象结构

对象:对象头、对象体、字节填充

对象头:
http://blog.csdn.net/bingjing12345/article/details/8642595

对象头的MarkWord用于存储对象的各种标记信息,实现锁、 哈希算法、垃圾回收等。
后续为指向类方法区的引用及数组长度(若为数组)。

2.3.2、对象分配方式

a. 堆上分配:指针碰撞、间隙列表
b. 栈上分配:基于逃逸分析
c. 堆外分配:Unsafe.allocateMemory()、DirectByteBuffer、ByteBuffer.allocateDicrect()或MappedByteBuffer
d. TLAB分配:Thread Local Allocation Buffer,多线程环境中JVM在Eden区分配一块内存为TLAB,在TLAB创建对象时不需要加锁,所以JVM首先在TLAB上创建对象,不够则在堆上创建。可通过-XX:TLABWasteTargetPercent设置TLAB和Eden的比例,可通过-XX:+PrintTLAB查看TLAB的使用情况。

2.3.3、垃圾回收算法

引用计数器:为每个对象分配一个引用计数器,当计数器为0时回收对象,缺点:循环引用问题

复制:从根集合扫描存活对象,复制到一块全新内存空间,缺点:需要2倍内存空间,存活对象较多时开销较大

标记-清除:从根集合扫描并标记存活对象,扫描完成后清除未标记对象,缺点:存活对象较少时内存碎片较多

标记-清除-压缩:从根集合扫描并标记存活对象,扫描完成后将存活对象移动并对齐

分代回收:根据生命周期长短,把JVM堆分成新生代、老年代。

说明:根集合范围为Java堆中的对象(Card Table/Remember Set)、方法区中的静态对象、Java栈中的局部变量表和JNI句柄指向的对象。

2.3.4、JVM内存及垃圾回收配置

-Xmx:设置最大堆内存,即新生代、老年代之和的最大值,该参数设置过小会触发OOM
-Xms:设置最小堆内存,即JVM启动时的初始堆大小,一般设置和-Xmx相同,避免垃圾回收后JVM内存重分配
-XX:NewSize:设置新生代的初始值
-XX:MaxNewSize:设置新生代最大值
-Xmn:等同于设置相同的-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize,该参数设置过小会频繁GC
-XX:PermSize:设置持久代初始值
-XX:MaxPermSize:设置持久代最大值
-Xss:设置线程栈大小
-XX:NewRatio:设置老年代与新生代的比例
-XX:SurvivorRatio:设置Eden区与S区的比例

-XX:MaxTenuringThreshold:设置垃圾回收最大年龄,即新生代中的对象经过多少次复制进入老年代
-XX:PretenureSizeThreshold:设置大于指定大小的较大对象直接进行老年代
-XX:TargetSurvivorRatio:设置S区的可使用率,当S区的空间使用率达到这个数值,会将对象送入老年代
-XX:MinHeapFreeRatio:设置堆空间的最小空闲比例,当堆空间的空闲内存小于这个数值时,JVM便会扩展堆空间
-XX:MaxHeapFreeRatio:设置堆空间的最大空闲比例,当堆空间的空闲内存大于这个数值时,JVM便会压缩堆空间

新生代串行GC:使用复制算法,单线程STW
新生代并行回收GC:使用复制算法,多线程STW,吞吐量优先:自动调整新生代Eden、S0、S1大小
新生代并行GC:使用复制算法,多线程STW,新生代串行GC的多线程版本
老年代串行GC:使用标记压缩算法,单线程STW
老年代并行回收GC:使用标记压缩算法,多线程STW ,压缩方式比较特别,内存按线程数划分成不同区域,压缩时根据区域存活对象比例决定是否整块压缩
老年代并发GC:使用标记清除算法。问题:① 占用更多CPU;② 浮动垃圾;③ 内存碎片:支持Full GC后的碎片整理清除,多线程不STW,但是碎片整理是STW;



说明:
① -XX:+UserSerialGC为client默认方式,-XX:+UseParallelOldGC为server默认方式;
② 分存分配方式:指针碰撞(bump-the-pointer)、空闲列表(free list)、TLAB;
③ 根集合扫描加速:Card Table、Mod Union Table、Remembered Set;
④ 新生代并行回收GC没有对Mod Union Table进行处理,因此不能和老年代并发GC一起工作;
⑤ 使用 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError开启堆Dump;

优化方案:
① 给新生代分配较大空间,因为Full GC比Mirror GC成本高;
② 新生代进入老年代的年龄设置较大值,原因同上;
③ 设置大对象直接进入老年代,因为新生代使用复制算法,并且占用两倍空间,大对象成本高;
④ 最大和最小堆大小设置成一样,避免堆的调整;
⑤ 吞吐量优先模式:并行回收GC;
⑥ 响应时间优先模式:并发GC;

2.4、执行机制

2.4.1、解释执行

1) 栈顶缓存:将操作数栈顶中值直接缓存在寄存器上,计算后放回操作数栈
2) 部分栈帧共享:调用方法时,后一方法可将前一方法的操作数栈作为当前方法的局部变量,节省数据拷贝消耗

2.4.2、编译执行

对频繁执行的代码编译为机器码,对不频繁执行的代码继续使用解释方式,可通过CompileThreshold、OnStackReplacePercentage两个计数器进行配置

1) client编译(C1):
方法内联:方法较短时,将被调用方法的指令直接植入当前方法
去虚拟化:如发现类中的方法只提供一个实现类,则对调用方进行内联
冗余削除:根据运行时状况对代码进行折叠或削除

2) server编译(C2):
通过运行时信息,如分支判断(优先执行频率高的分支)和逃逸分析(变量是否被外部读取)等进行优化

标量替换:未用到对象的全部变量时,用标量替换聚合量,避免创建对象,节省内存,优化执行
栈上分配:对象未逃逸时,直接在栈上创建对象,优化执行
同步削除:对象未逃逸时,C2直接去掉同步

3) OSR编译(On-Stack Replacement):
只在循环代码体部分编译,其它部分仍然是解释执行  

2.4.3、逆优化

C1、C2不满足优化条件时,进行逆优化回到解释执行模式

2.4.4、反射执行

1) 由于权限校验、所有方法扫描及Method对象的复制,getMethod()方法比较消耗性能,应该缓存返回的Method对象;
2) Method.invoke()的性能瓶颈:参数的数组包装、方法可见性检查、参数的类型检查。可通过JDK7的MethodHandle提高性能;