Java虚拟机基础知识

前言

正文 

内存管理

Java虚拟机在执行的过程中管理的内存划分为若干个数据区域，如下图：



各部分功能解释如下：

GC（垃圾回收）

什么是垃圾？

引用计数算法：被引用次数为0的对象。
根搜索算法：从GC Roots沿着引用找不到的对象。

有哪些类型的引用？

强引用：Object o = new Object()这种都是强引用。
弱引用：还有用但非必须的，在OOM之前被回收。
软引用：更弱的引用，在下次GC的时候被回收。
虚引用：最弱的，唯一的作用是在对象被回收的时候可以收到通知。

这里只有强引用才能对对象的生命周期造成影响。

垃圾回收算法：

标记-清除算法
复制算法
标记-整理算法
分代收集算法

VM中的内存：



整体上来看是分代收集算法，而S0、S1这两部分可以看做是标记-整理算法

CMS垃圾回收器的执行流程

初始标记：GC Roots直接关联的对象。
并发标记：Root Tracing。
重新标记：修复由于程序运行导致标记产生变动。
并发清除

具体如下图所示：



只有在初始标记和重新标记的时候才需要Stop The World，其他都是和用户线程一起执行

ps:stw

"stop-the-world" 机制简称STW,即,在执行垃圾收集算法时,Java应用程序的其他所有除了垃圾收集帮助器线程之外的线程都被挂起 Java中一种全局暂停的现象 全局停顿，所有Java代码停止，native代码可以执行，但不能和JVM交互 多半由于GC引起 Dump线程 死锁检查 堆Dump GC时为什么会有全局停顿？ –类比在聚会时打扫房间，聚会时很乱，又有新的垃圾产生，房间永远打扫不干净，只有让大家停止活动了，才能将房间打扫干净。 危害 长时间服务停止，没有响应; 遇到HA系统，可能引起主备切换，严重危害生产环境。

代码执行

需要先用javac编译成class文件才行

class文件的结构

常量池
访问标志
类索引、父类索引和接口索引
字段表
方法表
属性表

整个类的生命周期如下：

虚拟机规范并没有规定在什么时候要加载类，但是规定了在遇到new、反射、父类、Main的时候需要初始化完成。

在虚拟机中通过ClassLoader来进行类的加载，这地方需要明白：
两个类是否相同，除了类名外还需要判断ClassLoader是否相同。
双亲委派模式并不是一个强制约束。

在类加载完成之后就可以开始执行了，和线程运转相关的东西都放在栈帧中，其结构如下：

属性	作用/含义
局部变量表	方法参数及方法内部定义的局部变量
操作数栈	用来被指令操作
动态连接	指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用
方法返回地址	上层方法调用本方法的位置
附加信息	调试信息等

执行中具体调用哪个方法是个头疼的问题，需要处理：
静态分派：相同名称、不同参数类型的方法。
动态分派：继承中复写的方法。

在JIT中比较常见的优化手段

字节码中的指令都是基于栈的操作，比如要完成1+1这样的计算，对应的指令如下：

iconst_1 // 将常量1压入栈
iconst_1
iadd // 把栈顶的两个值相加并出栈，然后把结果放回栈
istore_0 // 将栈顶的值放到局部变量表第0个Solt

解释执行的好处是下载后启动速度快，但是缺点也非常明显：运行速度慢。

JIT正是用来解决这个问题的，能够将多次调用的方法、多次执行的循环体编译成本地代码。

在JIT中比较常见的优化手段有：

手段	描述
公共子表达式消除	如果一个表达式已经计算过了，那么后面不需要重复计算
数组范围检查消除	并不是必须一次不漏地检查
方法内联	把代码复制到调用方法中
逃逸分析	判断对象是否可能被方法外引用到

八种内存操作

程序执行涉及到内存操作：

操作	含义
lock	把一个变量标识为线程独占状态
unlock	释放变量
read	将变量从主存读取到工作内存
load	将read到的变量值放入工作内存中的副本
use	将工作内存中的变量传递给执行引擎
assign	引擎返回的值传递给工作内存中的副本
store	将工作内存中的变量传递给主存
write	把从工作内存得到的变量写入主存对应的变量中

这里有必要讲一下volatile的作用，在使用到的时候能明白下面两条即可：
保证变量对所有线程是可见的。
禁止指令重排优化。

ps 指令重排：
指令重排序(Memory
Reordering)：对主存的一次访问一般花费硬件的数百次时钟周期。处理器通过缓存（caching）能够从数量级上降低内存延迟的成本；这些缓存为了性能重新排列待定内存操作的顺序。也就是说，程序的读写操作不一定会按照它要求处理器的顺序执行。

（重排序的种类：编译期重排。编译源代码时，编译器依据对上下文的分析，对指令进行重排序，以之更适合于CPU的并行执行。运行期重排，CPU在执行过程中，动态分析依赖部件的效能，对指令做重排序优化。）

通过先行发生原则来判断并行的两个操作是否存在冲突

程序次序规则：单线程内按照程序书写顺序。
管程锁定规则：unlock必须在lock之前。
volatile变量规则：写操作先行发生于读操作。
线程启动规则：Thread.start()先于线程的其他任意方法。
线程终止规则：线程中所有的操作都先于对此线程的终止检测。
线程中断规则：interrupt()先于中断检测。
对象终结规则：对象的初始化完成先于它的finalize()方法。
传递规则：如果A先于B、B先于C，那么A先于C。

Thread的状态是如何进行转换：

常见的同步方式是synchronized或者aqs的各种实现

总结

JVM常用的参数和工具：