JVM运行机制

jvm启动流程

JVM基本结构

JVM内存空间：

1、方法区：

　　保存装载的类信息

• • 类型常量池　　
  • 字段、方法信息
  • 方法字节码

　　通常和永久区(perm) 关联在一起

JDK6时，String等常量信息置于方法
JDK7时，已经移动到了堆

2、PC寄存器

• • 每个线程拥有一个PC寄存器
  • 在线程创建时创建
  • 指向下一条指令的地址
  • 执行本地方法时，PC的值为undefined

3、JAVA堆　　

• • 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Java堆
  • 对分代GC来说，堆也是分代的
  • GC的主要工作区间

4、Java栈

• • 线程私有
  • 栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫做帧栈）
  • 帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针
  • 每一次方法调用创建一个帧，并压栈

 　　 JAVA 栈之局部变量表： 包含局部变量 和参数，如下代码在栈帧中的结构：

public class StackDemo {

public static int runStatic(int i,long l,float  f,Object o ,byte b){
return 0;
}

public int runInstance(char c,short s,boolean b){
return 0;
}

}

　　runStatic　　　　　　　　　　　　runInstance

                                     

java栈之操作数栈：

　　与局部变量表一样，均以字长为单位的数组。不过局部变量表用的是索引，操作数栈是弹栈/压栈来访问。操作数栈可理解为java虚拟机栈中的一个用于计算的临时数据存储区。

存储的数据与局部变量表一致含int、long、float、double、reference、returnType，操作数栈中byte、short、char压栈前(bipush)会被转为int。
- 数据运算的地方，大多数指令都在操作数栈弹栈运算，然后结果压栈。
- java虚拟机栈是方法调用和执行的空间，每个方法会封装成一个栈帧压入占中。其中里面的操作数栈用于进行运算，当前线程只有当前执行的方法才会在操作数栈中调用指令（可见java虚拟机栈的指令主要取于操作数栈）。

 java栈之函数调用：

public static int runStatic(int i,long l,float  f,Object o ,byte b){
return runStatic(i,l,f,o,b);
}

 每次方法调用会创建一个栈帧并压栈（注意：此方法由于递归调用没有结束判断，最终会导致栈内存溢出）

              栈帧　　　　　　　　　　　　　　栈帧　　　　　　　　　　　　　　　　栈帧

java栈之栈上分配：

　　JAVA中的对象都是在堆上进行分配，当对象没有被引用的时候，需要依靠GC进行回收内存，如果对象数量较多的时候，会给GC带来较大压力，也间接影响了应用的性能。为了减少临时对象在堆内分配的数量，JVM通过逃逸分析确定该对象不会被外部访问。那就通过标量替换将该对象分解在栈上分配内存，这样该对象所占用的内存空间就可以随栈帧出栈而销毁，就减轻了垃圾回收的压力。

• 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下，可以直接分配在栈上
• 直接分配在栈上，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

  逃逸分析：通过对象的作用范围的分析，为其他优化手段提供分析数据从而进行优化。

逃逸分析包括：

• 全局变量赋值逃逸
• 方法返回值逃逸
• 实例引用发生逃逸
• 线程逃逸:赋值给类变量或可以在其他线程中访问的实例变量.

 举例：

public class EscapeAnalysis {
 
     public static Object object;
     
     public void globalVariableEscape(){//全局变量赋值逃逸  
         object =new Object();  
      }  
     
     public Object methodEscape(){  //方法返回值逃逸
         return new Object();
     }
     
     public void instancePassEscape(){ //实例引用发生逃逸
        this.speak(this);
     }
     
     public void speak(EscapeAnalysis escapeAnalysis){
         System.out.println("Escape Hello");
     }
}

 使用方法逃逸的案例进行分析:

public StringBuffer createString(String ... values){
         StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer(); 
         for (String string : values) {
             stringBuffer.append(string+",");
        }
         return stringBuffer;
     }

　　从上面的案例我们看出stringBuffer是属于方法返回值逃逸。我们可以通过改变返回值得类型为String限定了StringBuffer的作用域在createString方法中从而不发生逃逸。
修改后：

 public String createString(String ... values){
         StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer(); 
         for (String string : values) {
             stringBuffer.append(string+",");
        }
         return stringBuffer.toString();
     }

 通过-XX:-DoEscapeAnalysis关闭逃逸分析，默认是开启的

栈上分配举例：

public class OnStackTest {
    public static void alloc(){
        byte[] b=new byte[2];
        b[0]=1;
    }
    public static void main(String[] args) {
        long b=System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i<100000000;i++){
            alloc();
        }
        long e=System.currentTimeMillis();
        System.out.println(e-b);
    }
}

  

 开启逃逸分析：

-server -Xmx10m -Xms10m
-XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC

输出结果：12

关闭逃逸分析：

-server -Xmx10m -Xms10m
-XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC

[GC 3076K->516K(10240K), 0.0197071 secs]
[GC 3076K->516K(10240K), 0.0023330 secs]
[GC 3076K->516K(10240K), 0.0080232 secs]
[GC 3076K->516K(10240K), 0.0014545 secs]
[GC 3076K->516K(10240K), 0.0010420 secs]
[GC 3076K->516K(10240K), 0.0010933 secs]
3112

栈、堆、方法区交互：

       

 

内存模型

• 每一个线程有一个工作内存和主存独立
• 工作内存存放主存中变量的值的拷贝

1. 当数据从主内存复制到工作存储时，必须出现两个动作：第一，由主内存执行的读（read）操作；第二，由工作内存执行的相应的load操作；当数据从工作内存拷贝到主内存时，也出现两个操作：第一个，由工作内存执行的存储（store）操作；第二，由主内存执行的相应的写（write）操作
2. 每一个操作都是原子的，即执行期间不会被中断
3. 对于普通变量，一个线程中更新的值，不能马上反应在其他变量中
4. 如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字

 volatile：

下面代码如果没有volatile -server 运行 无法停止 ，volatile 不能代替锁 一般认为volatile 比锁性能好（不绝对），选择使用volatile的条件是：语义是否满足应用

public class VolatileStopThread extends Thread{
private volatile boolean stop = false;
public void stopMe(){
stop=true;
}

public void run(){
　　int i=0;
　　while(!stop){
　　　　i++;
 　　}
 　　System.out.println("Stop thread");
}

public static void main(String args[]) throws InterruptedException{
　　VolatileStopThread t=new VolatileStopThread();
　　t.start();
　　Thread.sleep(1000);
　　t.stopMe();
　　Thread.sleep(1000);
　}
}

可见性

• 一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道

保证可见性的方法

• volatile
• synchronized （unlock之前，写变量值回主存）
• final(一旦初始化完成，其他线程就可见)

　　有序性

• 在本线程内，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）

　　指令重排

• 线程内串行语义写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后，再读这个位置。
• 写后写 a = 1;a = 2; 写一个变量之后，再写这个变量。
• 读后写 a = b;b = 1; 读一个变量之后，再写这个变量。
• 以上语句不可重排
• 编译器不考虑多线程间的语义
• 可重排： a=1;b=2;

　　指令重排的基本原则

• 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性
• volatile规则：volatile变量的写，先发生于读
• 锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)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结（Thread.join()）
• 线程的中断（interrupt()）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