浅析Java虚拟机结构与机制 (下)

  • 作者:新网
  • 来源:新网
  • 2018-05-11 15:13:46

本文主要介绍JVM的组成部分以及它们内部工作的机制和原理。在研究JVM的过程中会发现,其实JVM本身就是一个计算机体系结构,很多原理和我们平时的硬件、微机原理、 操作系统都有十分相似的地方,所以学习JVM本身也是加深自。。。

   本文主要介绍JVM的组成部分以及它们内部工作的机制和原理。在研究JVM的过程中会发现,其实JVM本身就是一个计算机体系结构,很多原理和我们平时的硬件、微机原理、 操作系统都有十分相似的地方,所以学习JVM本身也是加深自我对计算机结构认识的一个很好的途径。

  四、本地方法栈(Native Method Stack)
  本地方法栈类似于Java栈,主要存储了本地方法调用的状态。在Sun JDK中,本地方法栈和Java栈是同一个。
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  五、方法区(Method Area)
  类型信息和类的静态变量都存储在方法区中。方法区中对于每个类存储了以下数据:
  a.类及其父类的全限定名(java.lang.Object没有父类)
  b.类的类型(Class or Interface)
  c.访问修饰符(public, abstract, final)
  d.实现的接口的全限定名的列表
  e.常量池
  f.字段信息
  g.方法信息
  h.静态变量
  i.ClassLoader引用
  j.Class引用
  可见类的所有信息都存储在方法区中。由于方法区是所有线程共享的,所以必须保证线程安全,举例来说,如果两个类同时要加载一个尚未被加载的类,那么一个类会请求它的ClassLoader去加载需要的类,另一个类只能等待而不会重复加载。
  此外为了加快调用方法的速度,通常还会为每个非抽象类创建私有的方法表,方法表是一个数组,存放了实例可能被调用的实例方法的直接引用。方法表对于多态有非常重要的意义,具体可以参照《浅谈多态机制的意义及实现》一文中“多态的实现”一节。
  在Sun JDK中,方法区对应了持久代(Permanent Generation),默认最小值为16MB,最大值为64MB。
  六、堆(Heap)
  堆用于存储对象实例以及数组值。堆中有指向类数据的指针,该指针指向了方法区中对应的类型信息。堆中还可能存放了指向方法 表的指针。堆是所有线程共享的,所以在进行实例化对象等操作时,需要解决同步问题。此外,堆中的实例数据中还包含了对象锁,并且针对不同的垃圾收集策略, 可能存放了引用计数或清扫标记等数据。
  在堆的管理上,Sun JDK从1.2版本开始引入了分代管理的方式。主要分为新生代、旧生代。分代方式大大改善了垃圾收集的效率。
  1、新生代(New Generation)
  大多数情况下新对象都被分配在新生代中,新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space组成,后两者主要用于Minor GC时的对象复制(Minor GC的过程在此不详细讨论)。
  JVM在Eden Space中会开辟一小块独立的TLAB(Thread Local Allocation Buffer)区域用于更高效的内存分配,我们知道在堆上分配内存需要锁定整个堆,而在TLAB上则不需要,JVM在分配对象时会尽量在TLAB上分配,以提高效率。
  2、旧生代(Old Generation/Tenuring Generation)
  在新生代中存活时间较久的对象将会被转入旧生代,旧生代进行垃圾收集的频率没有新生代高。
  七、执行引擎
  执行引擎是JVM执行Java字节码的核心,执行方式主要分为解释执行、编译执行、自适应优化执行、硬件芯片执行方式。
  JVM的指令集是基于栈而非寄存器的,这样做的好处在于可以使指令尽可能紧凑,便于快速地在网络上传输(别忘了Java最初就是为网络设计的),同 时也很容易适应通用寄存器较少的平台,并且有利于代码优化,由于Java栈和PC寄存器是线程私有的,线程之间无法互相干涉彼此的栈。每个线程拥有独立的 JVM执行引擎实例。
  JVM指令由单字节操作码和若干操作数组成。对于需要操作数的指令,通常是先把操作数压入操作数栈,即使是对局部变量赋值,也会先入栈再赋值。注意这里是“通常”情况,之后会讲到由于优化导致的例外。
  1、解释执行
  和一些动态语言类似,JVM可以解释执行字节码。Sun JDK采用了token-threading的方式,感兴趣的同学可以深入了解一下。
  解释执行中有几种优化方式:
  a.栈顶缓存
  将位于操作数栈顶的值直接缓存在寄存器上,对于大部分只需要一个操作数的指令而言,就无需再入栈,可以直接在寄存器上进行计算,结果压入操作数站。这样便减少了寄存器和内存的交换开销。
  b.部分栈帧共享
  被调用方法可将调用方法栈帧中的操作数栈作为自己的局部变量区,这样在获取方法参数时减少了复制参数的开销。
  c.执行机器指令
  在一些特殊情况下,JVM会执行机器指令以提高速度。
  2、编译执行
  为了提升执行速度,Sun JDK提供了将字节码编译为机器指令的支持,主要利用了JIT(Just-In-Time)编译器在运行时进行编译,它会在第一次执行时编译字节码为机器码并缓存,之后就可以重复利用。Oracle JRockit采用的是完全的编译执行。
  3、自适应优化执行
  自适应优化执行的思想是程序中10%~20%的代码占据了80%~90%的执行时间,所以通过将那少部分代码编译为优化过 的机器码就可以大大提升执行效率。自适应优化的典型代表是Sun的Hotspot VM,正如其名,JVM会监测代码的执行情况,当判断特定方法是瓶颈或热点时,将会启动一个后台线程,把该方法的字节码编译为极度优化的、静态链接的 C++代码。当方法不再是热区时,则会取消编译过的代码,重新进行解释执行。
  自适应优化不仅通过利用小部分的编译时间获得大部分的效率提升,而且由于在执行过程中时刻监测,对内联代码等优化也起到了很大的作用。由于面向对象的多态性,一个方法可能对应了很多种不同实现,自适应优化就可以通过监测只内联那些用到的代码,大大减少了内联函数的大小。
  Sun JDK在编译上采用了两种模式:Client和Server模式。前者较为轻量级,占用内存较少。后者的优化程序更高,占用内存更多。
  在Server模式中会进行对象的逃逸分析,即方法中的对象是否会在方法外使用,如果被其它方法使用了,则该对象是逃逸的。对于非逃逸对象,JVM 会在栈上直接分配对象(所以对象不一定是在堆上分配的),线程获取对象会更加快速,同时当方法返回时,由于栈帧被抛弃,也有利于对象的垃圾收集。 Server模式还会通过分析去除一些不必要的同步,感兴趣的同学可以研究一下Sun JDK 6引入的Biased Locking机制。
  此外,执行引擎也必须保证线程安全性,因而JMM(Java Memory Model)也是由执行引擎确保的。

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