深入理解Java虚拟机

本篇文章主要解决的问题是：
1.什么是JVM？
2.JVM底层原理是什么？

JDK，JRE,JVM三者之间的关系：
JDK(Java Development Kit) java开发工具包
JDK提供使用java开发工具包含了JRE
其中的开发工具：编译工具javac.exe 打包工具jar.exe
JRE(Java Runtime Enviroment)java运行环境
包含了java虚拟机(JVM Java Virtual Machine)和Java程序所需的核心类库等
如果只需要运行开发好的程序计算机中只用安装JRE
使用JDK的开发工具完成java程序交给JRE运行

JVM：
Java之所以跨平台是因为：Java虚拟机从软件层面频闭了底层硬件指令层面的细节，也就导致了你的.java文件(源码)编译之后生成的.class文件(字节码)可以在windows和Linux上都可以运行。

解释：

线程私有的区域

运行时数据区: Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存化为位若干个不同的数据区域。
程序计数器: 一块较小的内存空间，当前线程执行的字节码的(地址)行号的指示器，每个线程之间时相互独立存储，互不影响。主要作用是：指向当前线程正在执行的字节码指令的地址(行号)。
为什么要使用程序计数器，因为Java是多线程的，所以要进行线程切换时，记录下来每个线程的执行进度，以便下次继续进行，确保多线程情况下的正常进行。
栈： 是一种数据结构，特点是先进先出(FILO)
JVM为什么要使用栈这种数据结构：因为符合Java方法间的调用（在一个方法中调用另一个方法）。
虚拟机栈: 从上图我们标出来的位置可以看出，虚拟机栈是每一个线程所私有的，程序在运行时，在执行到每一个方法时都会生成一个栈帧(存储了局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等相关的信息)然后放入虚拟机栈。每时每刻正在执行的当前方法就是虚拟机栈顶的栈帧。方法的执行就对应着栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈。
局部变量表:顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的。首先它是一个32位的长度，主要存放我们的Java的八大基础数据类型，一般32位就可以存放下，如果是64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的Object对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。
操作数据栈：存放我们方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的java数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的，操作数栈运行方法是会一直运行入栈/出栈的操作
动态连接:Java语言特性多态（需要类加载、运行时才能确定具体的方法），动态特性（Groovy、JS、动态代理）
返回地址:正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）

本地方法栈： 本地方法栈保存的是native修饰方法的信息。
当一个JVM创建的线程调用native方法后，JVM不再为其在虚拟机栈中创建栈帧，JVM只是简单地动态链接并直接调用native方法。

线程共享的区域

堆: 存储的全部都是对象，数组，每个对象都包含一个与之对应的Class类
方法区：（类信息、常量、静态变量、即时编译期编译后的代码）用于存储已经被虚拟机加载的类信息

直接内存

不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域；

以线程的角度来看

堆和栈

功能：
以栈帧的方式存储方法调用的过程，并存储方法调用过程中基本数据类型的变量（int、short、long、byte、float、double、boolean、char等）以及对象的引用变量，其内存分配在栈上，变量出了作用域就会自动释放；

而堆内存用来存储Java中的对象。无论是成员变量，局部变量，还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中；

线程独享还是共享

栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有内存。

堆内存中的对象对所有线程可见。堆内存中的对象可以被所有线程访问。

虚拟机中的对象

1.检查加载：
先执行相应的类加载过程
2.分配内存：
指针碰撞
接下来虚拟机将为新生对象分配内存，给对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从java堆中划分出来。
假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针指向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为指针碰撞。
空闲列表
如果java堆中的内存并不是规整的，一使用的内存和未使用的空闲内存相互交错着，那就没有办法简单的进行指针碰撞，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存是可用的，再分配的时候从列表中找到一块足够大的内存空间划分给对象实例，并更新表上的记录，这种分配方式称为空闲列表。
具体选择哪种方式是由java堆是否规整决定的，而java堆是否规整又是由所采用的垃圾回收机制是否带有压缩整理的功能决定的
并发安全
除了如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常繁琐的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针分配内存的情况。
CAS机制(比较并且交换)：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值A和一个新值B，操作期间会先比较旧的值有没有发生变化，如果有变化，才交换成新值，否则不进行交换。

解决并发安全问题有两种方案，一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
分配缓冲
另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块私有内存，也就是本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB），如果设置了虚拟机参数 -XX:UseTLAB，在线程初始化时，同时也会申请一块指定大小的内存，只给当前线程使用，这样每个线程都单独拥有一个Buffer，如果需要分配内存，就在自己的Buffer上分配，这样就不存在竞争的情况，可以大大提升分配效率，当Buffer容量不够的时候，再重新从Eden区域申请一块继续使用。

TLAB的目的是在为新对象分配内存空间时，让每个Java应用线程能在使用自己专属的分配指针来分配空间，减少同步开销。

TLAB只是让每个线程有私有的分配指针，但底下存对象的内存空间还是给所有线程访问的，只是其它线程无法在这个区域分配而已。当一个TLAB用满（分配指针top撞上分配极限end了），就新申请一个TLAB。
3）内存空间初始化
（注意不是构造方法）内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(如int值为0，boolean值为false等等)。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
4）设置
接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头之中。
5）对象初始化
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，所有的字段都还为零值。所以，一般来说，执行new指令之后会接着把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象内存布局

在虚拟机中，对象在内存中村住的布局可以分为3块区域，对象头，实例数据和对齐填充。
对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁，偏向线程ID，偏向时间戳等。
对象头的另外一部分时类型指针，即对象指向它的类元数据指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪一个类的实例
第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，其仅仅起的是占位符的作用，由于自动内存管理系统要求对象的大小必须是8字节的整数倍。当对象其他数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

句柄

如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

直接指针

如果使用直接指针访问， reference中存储的直接就是对象地址。

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

对Sun HotSpot而言，它是使用直接指针访问方式进行对象访问的。

逃逸分析

逃逸分析是目前JVM中比较前沿的优化技术，它不是直接的优化手段而是为其他优化手段提供依据的分析技术逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域。

栈上分配

虚拟机提供的一种优化技术，基本思想是，对于线程私有的对象，将它打散分配在栈上，而不分配在堆上。好处是对象跟着方法调用自行销毁，不需要进行垃圾回收，可以提高性能。

栈上分配需要的技术基础，逃逸分析。逃逸分析的目的是判断对象的作用域是否会逃逸出方法体。注意，任何可以在多个线程之间共享的对象，一定都属于逃逸对象。

public void test(int x,inty ){
    String x = “”;
    User u = ….
    ….. 
}
//User类型的对象u就没有逃逸出方法test。
 
public  User test(int x,inty ){
    String x = “”;
    User u = ….
    ….. 
    return u;
}
//User类型的对象u就逃逸出方法test。

如何启用栈上分配JVM参数

-server JVM运行的模式之一, server模式才能进行逃逸分析， JVM运行的模式还有mix/client

-Xmx10m和-Xms10m：堆的大小

-XX:+DoEscapeAnalysis：启用逃逸分析(默认打开)

-XX:+PrintGC：打印GC日志

-XX:+EliminateAllocations：标量替换(默认打开)

-XX:-UseTLAB 关闭本地线程分配缓冲

TLAB： ThreadLocalAllocBuffer，具体解释参见下文《虚拟机中的对象—对象的分配----2）》

对栈上分配发生影响的参数就是三个，-server、-XX:+DoEscapeAnalysis和-XX:+EliminateAllocations，任何一个发生变化都不会发生栈上分配，因为启用逃逸分析和标量替换默认是打开的，所以，在我们的例子中，JVM的参数只用-server一样可以有栈上替换的效果(以King老师机器上JDK1.8为例，其他版本JDK请自行尝试)。

栈上分配的效果

同样的User的对象实例，分配100000000次，启用栈上分配，只需6ms，不启用，需要900多ms。

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