之前我們文章提到過(guò)反射，說(shuō)的比較淺顯，我們這里來(lái)理解JVM直秆。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的JVM是這樣的
JVM負(fù)責(zé)裝載class文件并執(zhí)行，我們首先來(lái)了解類加載和執(zhí)行的機(jī)制鞭盟。
類加載機(jī)制
JVM將.class文件加載到JVM圾结，并形成Class對(duì)象，之后就可以對(duì)Class對(duì)象進(jìn)行實(shí)例化并調(diào)用齿诉。
該過(guò)程分為三個(gè)步驟：
- 裝載筝野。
- 鏈接。
- 初始化粤剧。
- 裝載
負(fù)責(zé)找到二進(jìn)制字節(jié)碼并加載到JVM中歇竟。
JVM通過(guò)類的全限定名以及類加載器完成類的加載。
比如Object[] o=new Object[10]抵恋，o的全限定名：[Ljava.lang.Object焕议，并由數(shù)組型中的元素類型所在的ClassLoader進(jìn)行加載。
- 鏈接
鏈接過(guò)程負(fù)責(zé)對(duì)二進(jìn)制字節(jié)碼進(jìn)行校驗(yàn)弧关、初始化裝載類中的靜態(tài)變量以及解析類中調(diào)用的接口盅安、類。
- 初始化
初始化過(guò)程即執(zhí)行類中的靜態(tài)初始化代碼世囊，構(gòu)造器代碼以及靜態(tài)屬性的初始化别瞭。
類執(zhí)行機(jī)制
在完成將class文件信息加載到JVM并產(chǎn)生Class對(duì)象后，就可執(zhí)行Class對(duì)象的靜態(tài)方法或?qū)嵗瘜?duì)象進(jìn)行調(diào)用了株憾。在源碼編譯階段蝙寨，將源碼編譯為JVM字節(jié)碼，JVM字節(jié)碼是一種中間代碼的方式嗤瞎，要由JVM在運(yùn)行期間對(duì)其進(jìn)行解釋并執(zhí)行籽慢。這種方式稱為：字節(jié)碼解釋執(zhí)行方式。
字節(jié)碼解釋執(zhí)行
由于采用JVM字節(jié)碼猫胁，也就是說(shuō)JVM有一套自己的指令來(lái)執(zhí)行中間碼：
- invokestatic
調(diào)用static方法 - invokevirtual
調(diào)用對(duì)象實(shí)例的方法 - invokeinterface
調(diào)用接口 - invokespecial
調(diào)用private方法和<init>對(duì)象初始化方法
比如下面這一段代碼：
public class Demo{
public void execute(){
A.execute();
A a=new A();
a.bar();
IFoo b=new B();
b.bar();
}
}
class A{
public static int execute(){
return 1+2;
}
public int bar(){
return 1+2;
}
}
class B implements IFoo{
public int bar(){
return 1+2;
}
}
public interface IFoo{
public int bar();
}
通過(guò)javac 編譯上面的代碼后箱亿，使用javap -c Demo 查看其execute方法的字節(jié)碼：
Compiled from "Demo.java"
public class Demo {
public Demo();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public void execute();
Code:
0: invokestatic #2 // Method A.execute:()I
3: pop
4: new #3 // class A
7: dup
8: invokespecial #4 // Method A."<init>":()V
11: astore_1
12: aload_1
13: invokevirtual #5 // Method A.bar:()I
16: pop
17: new #6 // class B
20: dup
21: invokespecial #7 // Method B."<init>":()V
24: astore_2
25: aload_2
26: invokeinterface #8, 1 // InterfaceMethod IFoo.bar:()I
31: pop
32: return
}
從上面的栗子可以看出，四種指令對(duì)應(yīng)調(diào)用方法的情況弃秆。
Sun JDK基于棧的體系結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行字節(jié)碼届惋，基于棧方式的好處就是代碼緊湊，體積小菠赚。
線程在創(chuàng)建后脑豹，都會(huì)產(chǎn)生程序計(jì)數(shù)器（PC或者稱為PC registers）和棧（Stack）；PC存放了下一條要執(zhí)行的指令在方法內(nèi)的偏移量衡查；棧中存放了棧幀（StackFrame）瘩欺，每個(gè)方法每次調(diào)用都會(huì)產(chǎn)生棧幀，棧幀主要分為局部變量區(qū)和操作數(shù)棧兩個(gè)部分，局部變量區(qū)用于存放方法體中的局部變量和參數(shù)俱饿，操作數(shù)棧中用于存放方法執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的中間結(jié)果歌粥，棧幀中還有一些其他空間，例如只想方法已解析的常量池的引用拍埠、其他一些VM內(nèi)部需要的數(shù)據(jù)等失驶，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：
下面來(lái)看一個(gè)方法執(zhí)行時(shí)過(guò)程的栗子：
public class Demo2{
public static void foo(){
int a=1;
int b=2;
int c=(a+b)*5;
}
}
同樣的方法獲得JVM字節(jié)碼：
public class Demo2 {
public Demo2();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void foo();
Code:
0: iconst_1
1: istore_0
2: iconst_2
3: istore_1
4: iload_0
5: iload_1
6: iadd
7: iconst_5
8: imul
9: istore_2
10: return
}
每條字節(jié)碼及其對(duì)應(yīng)的解釋如下：
對(duì)于方法的指令解釋執(zhí)行，執(zhí)行方式為經(jīng)典馮諾伊曼體系中的FDX循環(huán)方式枣购，即獲取下一條指令嬉探，解碼并分派，然后執(zhí)行棉圈。在實(shí)現(xiàn)FDX循環(huán)時(shí)有switch-threading涩堤、token-threading、direct-threading等多種方式分瘾。
第一種swith-threading胎围，代碼大致如下：
while(true){
int code=fetchNextCode();//下一條指令
switch(code){
case IADD: //do add
case ...: //do sth
}
}
每次執(zhí)行完都得重新回到循環(huán)開(kāi)始點(diǎn)，然后重新獲取下一條指令芹敌，并繼續(xù)switch痊远，這導(dǎo)致了大部分時(shí)間都花在了跳轉(zhuǎn)和獲取下一條指令上垮抗，真的的業(yè)務(wù)邏輯代碼非常短氏捞。
token-threading在上面的基礎(chǔ)上稍微有所修改：
IADD:{
//do add
fetchNextCode();//下一條指令
dispatch();
}
ICONST_0:{
push(0);
fetchNextCode();下一條指令
dispatch();
}
...
該方法相對(duì)第一種switch-threading而言，冗余了fetch next code和dispatch冒版，相對(duì)比較消耗內(nèi)存液茎，但是由于去除了switch，因此性能會(huì)稍微好一些辞嗡。
其他的xxx-threading做了更多的優(yōu)化捆等，在此不做贅述。Sun JDK的重點(diǎn)為編譯成機(jī)器碼续室，并沒(méi)有在解釋器上做太復(fù)雜的處理栋烤，因此采用了token-threading方法，為了讓解釋執(zhí)行能夠更加高效挺狰，Sun JDK還做了一些其他的優(yōu)化明郭，主要是：棧頂緩存（top-of-stack caching）和部分棧幀共享。
棧頂緩存
在方法執(zhí)行過(guò)程中丰泊，可以看到有很多操作要將值放入操作數(shù)棧薯定，這導(dǎo)致了寄存器和內(nèi)存要不斷的交換數(shù)據(jù)，Sun JDK采用了一個(gè)棧頂緩存瞳购，即將本來(lái)位于操作數(shù)棧頂?shù)闹抵苯泳彺娴郊拇嫫魃匣爸叮芍苯釉诩拇嫫饔?jì)算，然后放回操作數(shù)棧。
部分棧幀共享
當(dāng)一個(gè)方法調(diào)用另一個(gè)方法時(shí)年堆，通常傳入另一個(gè)方法的參數(shù)為已存放在操作數(shù)棧的數(shù)據(jù)吞杭，Sun JDK采用：當(dāng)調(diào)用方法時(shí)，后一個(gè)方法將前一個(gè)方法的操作數(shù)棧作為當(dāng)前方法的局部變量嘀韧，從而節(jié)省數(shù)據(jù)copy帶來(lái)的消耗篇亭。
（運(yùn)行時(shí)）編譯執(zhí)行
由于解釋執(zhí)行的效率太低，Sun JDK提供將字節(jié)碼編譯為機(jī)器碼锄贷，在執(zhí)行過(guò)程中译蒂，對(duì)執(zhí)行頻率高的代碼進(jìn)行編譯執(zhí)行，對(duì)執(zhí)行不頻繁的代碼采用解釋執(zhí)行谊却，因此Sun JDK也稱為Hotspot VM柔昼，在編譯上Sun JDK提供了兩種模式，client compiler(-client) 和 server compiler(-server)炎辨。
- client compiler
client compiler比較輕量級(jí)捕透，制作少量性能開(kāi)銷比較高的優(yōu)化，它占用內(nèi)存較少碴萧，適合于桌面交互式應(yīng)用乙嘀，主要的優(yōu)化有：方法內(nèi)聯(lián)、去虛擬化破喻、冗余消除等虎谢。
1.方法內(nèi)聯(lián)
例如這樣一段代碼：
public void bar(){
...
bar2();
...
}
public void bar2(){
//bar2執(zhí)行代碼
}
當(dāng)編譯時(shí)，如果bar2代碼編譯后的字節(jié)數(shù)小雨等于35個(gè)字節(jié)（可以通過(guò)啟動(dòng)參數(shù)-XX:MaxInlineSize=35來(lái)控制）曹质，那么會(huì)演變稱為這樣的結(jié)構(gòu)：
public void bar(){
...
//bar2執(zhí)行代碼
...
}
可在debug版本的JDK的啟動(dòng)參數(shù)上加上-XX:+PrintInlining來(lái)查看方法內(nèi)聯(lián)信息婴噩。
2.去虛擬化
去虛擬化是指在裝載class文件后，進(jìn)行類層次的分析羽德，如發(fā)現(xiàn)類中的方法只提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)類几莽，那么對(duì)于調(diào)用了此方法的代碼，也可進(jìn)行方法內(nèi)聯(lián)宅静，從而提升執(zhí)行的性能章蚣。
例如這樣的代碼：
public interface IFoo{
public void bar();
}
public class Foo implements IFoo{
public void bar(){
//Foo bar method
}
}
public class Demo{
public void execute(IFoo foo){
foo.bar();
}
}
當(dāng)整個(gè)JVM只有Foo實(shí)現(xiàn)了IFoo接口，Demo execute方法被編譯的時(shí)候姨夹，就會(huì)演變成類似這樣的結(jié)構(gòu)：
public void execute(){
//Foo bar method
}
3.冗余消除
冗余消除是指在編譯時(shí)纤垂，根據(jù)運(yùn)行時(shí)狀況進(jìn)行折疊或消除代碼。
比如：
private static final Log=log.LogFactory.getLog("BLUEDAVY")匀伏；
private static final boolean isDebug=log.isDebugEnabled();
public void execute(){
if(isDebug){
log.debug(xxx);
}
//do something else
}
如果boolean值是false那么會(huì)演變?yōu)槿缦碌慕Y(jié)構(gòu)：
public void execute(){
//do something else
}
- server compiler
server compiler較為重量級(jí)洒忧，采用了大量傳統(tǒng)編譯優(yōu)化技巧，占用內(nèi)存相對(duì)較多够颠，適合服務(wù)端的應(yīng)用熙侍，下面介紹幾個(gè)優(yōu)化：
1.標(biāo)量替換
例如：
Point p=new Point(1,2);
sout("point.x="+p.x+";point.y="+p.y);
當(dāng)p對(duì)象在后面沒(méi)用到的時(shí)候，會(huì)演變成下面的結(jié)構(gòu)：
int x=1;
int y=2;
sout("point.x="+x+";point.y="+y);
2.同步消除
如果發(fā)現(xiàn)同步的對(duì)象沒(méi)必要，那么會(huì)直接去掉：
Point p=new Point();
sysnchronized(p){
//do something
}
演變?yōu)椋?/p>
Point p=new Point();
//do somehing
從上面兩種重量級(jí)和輕量級(jí)的編譯來(lái)看蛉抓，它們做了很多努力來(lái)優(yōu)化庆尘。為什么不再一開(kāi)始就編譯稱為機(jī)器碼呢？
主要有下面幾方面的原因：
- 靜態(tài)編譯并不能根據(jù)程序的運(yùn)行狀況來(lái)優(yōu)化執(zhí)行的代碼巷送，server compiler收集運(yùn)行數(shù)據(jù)越長(zhǎng)驶忌，編譯出來(lái)的代碼會(huì)越優(yōu)化。
- 解釋執(zhí)行比編譯執(zhí)行更省內(nèi)存笑跛。
- 啟動(dòng)時(shí)解釋執(zhí)行的啟動(dòng)速度比編譯后再啟動(dòng)更快付魔。
那么什么時(shí)候就需要編譯呢？這需要一個(gè)權(quán)衡值飞蹂，Sun JDK有兩個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算閾值：
- CompileThreshold
當(dāng)方法被調(diào)用多少次后几苍，編譯為機(jī)器碼。通過(guò)-XX:CompileThreshold=10000來(lái)設(shè)置該值陈哑。client默認(rèn)1500次妻坝，server默認(rèn)10000； - OnStackReplacePercentage
棧上替換的百分比惊窖，該值用于/參與計(jì)算是否觸發(fā)OSR編譯的閾值刽宪，通過(guò)-XX:OnStackReplacePercentage=140來(lái)設(shè)置。在client模式下界酒，計(jì)算規(guī)則為：CompileThreshold * (OnStackReplacePercentage/100)圣拄；在server模式下，計(jì)算規(guī)則為：(OnStackReplacePercentage – InterpreterProfilePercentage))/100
反射執(zhí)行
反射執(zhí)行是基于反射來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)用某對(duì)象實(shí)例中對(duì)應(yīng)的方法盾计，訪問(wèn)查看對(duì)象的屬性等等售担，之前的文章寫的很清楚赁遗。
Java中通過(guò)如下的方法調(diào)用：
Class actionClass=Class.forName(外部實(shí)現(xiàn)類);
Method method=actionClass.getMethod(“execute”,null);
Object action=actionClass.newInstance();
method.invoke(action,null);
這樣在創(chuàng)建對(duì)象過(guò)程和方法調(diào)用過(guò)程是動(dòng)態(tài)的署辉，具有很高的靈活性。
內(nèi)存回收
內(nèi)存空間
Sun JDK在實(shí)現(xiàn)時(shí)岩四，將內(nèi)存空間劃分為方法區(qū)哭尝、堆、本地方法棧剖煌、PC寄存器以及JVM方法棧材鹦。如下圖所示：
- 方法區(qū)
方法區(qū)存放了要加載的類的信息、靜態(tài)變量耕姊、final類型常量等信息桶唐。方法區(qū)是全局共享的。
通過(guò)-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize來(lái)指定最小最大的值茉兰，保證方法區(qū)內(nèi)存大小尤泽。
- 堆
堆用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例及數(shù)組值，可以認(rèn)為Java中所有new的對(duì)象都在此分配。
- 本地方法棧
用于支持native方法的執(zhí)行坯约。在Sun JDK的實(shí)現(xiàn)中本地方法棧和JVM方法棧是同一個(gè)熊咽。
- PC寄存器和JVM方法棧
每個(gè)線程單獨(dú)創(chuàng)建自己的PC寄存器和JVM方法棧（私有的）。當(dāng)方法運(yùn)行完畢時(shí)闹丐，其對(duì)應(yīng)的棧幀所用內(nèi)存也會(huì)自動(dòng)釋放横殴。
收集器
JVM通過(guò)GC來(lái)回收堆和方法區(qū)中的內(nèi)存，GC的基本原理是首先找到程序中不再被使用的對(duì)象卿拴，然后回收這些對(duì)象所占用的內(nèi)存衫仑。
主要的收集器有引用計(jì)數(shù)收集器和跟蹤收集器。
- 引用計(jì)數(shù)收集器
顧名思義堕花，通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄對(duì)象引用數(shù)目惑畴，當(dāng)引用數(shù)目為0時(shí)回收對(duì)象。 -
跟蹤收集器
跟蹤收集器采用的為集中式的管理方式航徙，全局記錄數(shù)據(jù)的引用狀態(tài)如贷。基于一定條件觸發(fā)（例如定時(shí)觸發(fā)或者空間不足時(shí)觸發(fā)）到踏，執(zhí)行時(shí)需要從根集合來(lái)掃描對(duì)象的引用關(guān)系杠袱，這可能會(huì)造成應(yīng)用程序暫停，主要有復(fù)制窝稿、標(biāo)記-清除楣富、標(biāo)記-壓縮三種實(shí)現(xiàn)算法。
（其實(shí)就是清理內(nèi)存的算法伴榔，計(jì)算機(jī)原理也學(xué)過(guò)）
復(fù)制：從根集合中掃描存活的對(duì)象纹蝴，復(fù)制到未使用的空間中。
在這里插入圖片描述
標(biāo)記清除：從根集合中掃描踪少，對(duì)存活的對(duì)象標(biāo)記塘安，然后再掃描整個(gè)空間中未標(biāo)記的對(duì)象，進(jìn)行回收援奢。
在這里插入圖片描述
標(biāo)記壓縮：和標(biāo)記清除一樣也要進(jìn)行標(biāo)記兼犯，不過(guò)第二步在回收不存活的對(duì)象的內(nèi)存后，會(huì)將對(duì)象左移壓縮集漾。
在這里插入圖片描述
Sun JDK可用的GC
以上三種跟蹤收集器各有優(yōu)缺點(diǎn)切黔，Sun JDK認(rèn)為：程序中大部分對(duì)象存活時(shí)間都是較短的，只有少部分是長(zhǎng)期存活的具篇。根據(jù)這一分析纬霞，JVM被劃分為新生代和舊生代，根據(jù)兩代generation有不同的GC實(shí)現(xiàn)驱显。
新生代中對(duì)象存活期短诗芜，因此選用復(fù)制算法進(jìn)行回收侨舆。由于在復(fù)制的時(shí)候，需要一塊未使用的空間來(lái)存放存活的對(duì)象（和固態(tài)硬盤一樣绢陌，也是要預(yù)留空間）挨下，所以新生代又被分為Eden、S0脐湾、S1三塊空間臭笆。
Eden Space存放新創(chuàng)建的對(duì)象，S0或S1其中一塊作為復(fù)制的目標(biāo)空間（輪流）：當(dāng)一塊作為復(fù)制的目標(biāo)空間秤掌，另一塊被清空愁铺。因此S0和S1也被稱為：From Space和To Space。
Sun JDK提供了串行GC闻鉴、并行回收GC和并行GC三種方式來(lái)回收茵乱，在此不做贅述。
舊生代與新生代不同孟岛，對(duì)象存活的時(shí)間比較長(zhǎng)瓶竭，比較穩(wěn)定，因此采用標(biāo)記（Mark）算法來(lái)進(jìn)行回收渠羞，所謂標(biāo)記就是掃描出存活的對(duì)象斤贰，然后再進(jìn)行回收未被標(biāo)記的對(duì)象，回收后對(duì)用空出的空間要么進(jìn)行合并次询，要么標(biāo)記出來(lái)便于下次進(jìn)行分配荧恍，總之就是要減少內(nèi)存碎片帶來(lái)的效率損耗。在執(zhí)行機(jī)制上JVM提供了串行 GC（SerialMSC）屯吊、并行GC（parallelMSC）和并發(fā)GC（CMS）送巡，具體算法細(xì)節(jié)還有待進(jìn)一步深入研究。
