JVM学习笔记(三)执行引擎

最新推荐文章于 2024-06-27 14:33:55 发布

人间不值得T皿T

最新推荐文章于 2024-06-27 14:33:55 发布

阅读量145

点赞数

分类专栏：学习笔记文章标签： java JVM hotspot 执行引擎直接内存

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_46684099/article/details/122057121

版权

学习笔记专栏收录该内容

17 篇文章

订阅专栏

上篇文章:JVM学习笔记(二)运行时数据区

对象的实例化

在这里插入图片描述

创建对象的步骤

判断对象对应的类是否加载,链接,初始化
虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载，解析和初始化。(即判断类元信息是否存在)。如果没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加戮器以ClassLoader+包名+类名为Key进行查对应的.class文件。如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到,则进行类加载,并生成对应的Class 类对象
为对象分配内存
如果内存规整—指针碰撞
如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Pointer )来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带有compact(整理)过程的收集器时,使用指针碰撞。
如果内存不规整
虚拟机需要维护一个列表
空间列表分配
如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交集，那么虚拟机将采用的是空闲列表法来为对象分配内存。
意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的内存，这种分配方式成为"空闲列表( Free List ) ".
处理并发问题
初始化并分配元空间
设置对象的对象头
将对象的所属类(即类的元数据信息)、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。
执行init方法进行初始化(显示初始化)
在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法,并把堆内对象的首地址赋值始引用变量。
因此一般来说（由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定）,new指令之后会接着就是执行方法，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创建出来。

内存布局(对象的内存布局)

在这里插入图片描述

对象访问定位

通过句柄访问对象

在这里插入图片描述

通过直接指针访问对象(Hotspot采用)

在这里插入图片描述

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。
直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。
来源于NIO，通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存通常，访问直接内存的速度会优于Java推。即读写性能高。

因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。
Java的NIo库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

/**
 *
 * 查看直接内存的占用和释放
 * @author tuxuchen
 * @date 2021/12/21 14:33
 */
public class BufferTest {

  private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 1024;// 1G内存

  public static void main(String[] args) {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
    System.out.println("直接内存占用完毕");
    Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    scanner.next();
    System.out.println("直接内存开始释放");
    buffer = null;
    System.gc();
    scanner.next();
  }
}

也可能导致outofMemoryError异常
由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于-xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限开操作系统能给出的最大内存。

缺点

分配回收成本较高不受JVM内存回收管理
直接内存大小可以通过MaxDirectMemorysize
设置如果不指定，默认与堆的最大值-xmx参数值一致

执行引擎

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。
“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM所识别的字节码指令、符号表，以及其他辅助信息。
那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎《Execution Engine)的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

执行引擎工作原理

1，执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器。
2，每当执行完一项指令操作后，PC都存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
3，当然方法在执行的过程中,执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在Java堆区中的对象实例信息，以及通过对象头中的元教据指针定位到目标对象的类型信息。
在这里插入图片描述
从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的:输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果。

Java代码编译和执行的过程

Java代码编译

第一种是将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行
第二种是编译执行（直接编译成机器码）。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术（JIT,Just In Time）将方法编译成机器码后再执行

在这里插入图片描述
大部分的程序代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过上图中的各个步骤。

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成,流程图如下所示:
在这里插入图片描述

问题:什么是解释器（Interpreter)，什么是JIT编译器?

解释器: 当Java虚拟机启动时会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
JIT(Just In Time compiler)编译器: 就是虚拟机将源代码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。

问题:为什么说Java是半编译半解释型语言?

JDK1.0时代，将Java语言定位为“解释执行”还是比较准确的。再后来，Java也发展出可以直接生成本地代码的编译器。
现在JVM在执行Java代码的时候，通常都会将解释执行与编译执行二者结合起来进行。

解释器

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。
在这里插入图片描述
现状
由于解释器在设计和实现上非常简单，因此除了Java语言之外，还有许多高级语言同样也是基于解释器执行的，比如Python、Per1、Ruby等。但是在今天，基于解释器执行已经沦落为低效的代名词，并且时常被一些C/C++程序员所调侃。

为了解决这个问题，JVM平台支持一种叫作即时编译的技术。即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译成为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可，这种方式可以使执行效率大幅度提升。
不过无论如何，基于解释器的执行模式仍然为中间语言的发展做出了不可磨灭的贡献。

JIT编译器

有些开发人员会感觉到诧异，既然HotSpot
中已经内置JIT编译器了，那么为什么还需要再使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢?比如JRockit VM内部就不包含解释器，字节码全部都依靠即时编译器编译后执行。

首先明确:
当程序启动后，解释器可以马上发挥作用。省去编译的时间，立即执行。
JIT编译器要想发挥作用,把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间。但编译为本地代码后,执行效率高。
所以:
尽管JRockit VM中程序的技行性能会非常高效，但程序在启动时必然需要花费更长的时间来进行编译。对于服务端应用来说，启动时间并非是关注重点，但对于那些看中启动时间的应用场景而言，或许就需要采用解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。在此模式下，当Java虚拟器启动时，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成后再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。随着时间的推移，编译器发挥作用,把越来越多的代码编译成本地代码，获得更高的执行效率。
同时,解释执行在编译器进行激进优化下成立的时候。作为编译器的“逃生门”

概念解释:

Java语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程。因为它可能是指一个 前端编译器 (其实叫“编译器的前编”更准确一些)把.java文件转变成.class文件的过程

也可能是指虚拟机的 后端运行期编译器 (JIT编译器，Just In Time Compiler)把字节码转变成机器码的过程。
还可能是指使用 静态提前编译器 (AOT 编译器，Ahead of Time Compiler）直接把.java文件编译成本地机器代码的过程。

JIT分类
HotSpot vM中内嵌有两个JIT编译器，分别为Client Compiler和Server Coppiler，但大多数情况下我们简称为C1编译器和C2编译器。

Client: 指定Java虚拟机运行在client模式下，并使用C1编译器:
C1编译器会对字节码进行简单和可靠的优化，耗时短。以达到更快的编译速度。
Server: 指定Java虚拟机运行在Server模式下，并使用C2编译器。
C2进行耗时较长的优化,以及激进优化。但优化的代码执行效率更高。

Java代码执行

字节码文件在运行时究竟是选择解释器还是JIT编译器?

热点代码及探测方式

当然是否需要启动JIT编译器将字节码直接编译为对应平台的本地机器指令，则需要根据代码 被调用执行的频率 而定。关于那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称之为“热点代码”，JIT编译器在运行时会针对那些频繁被调用的“热点代码”做出深度优化，将其直接编译为对应平台的本地机器指令，以此提升Java程序的执行性能。

一个被多次调用的方法,或者是一个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称之为“热点代码” ，因此都可以通过JIi编译器编译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此也被称之为 栈上替换，或简称为OSR(On StackFeplacement)编译。

一个方法究竟要被调用多少次。或者一个循环体究竟需要执行多少次循环才可以达到这个标准?

必然需要一个明确的阈值。JIT编译器才会将这些“热点代码”编译为本地机器指令执行。这里主要依靠热点探测功能。
目前HotSpot VM所采用的热点探测方式是基于计数器的热点探测。

方法调用计数器

这个计数器就用于统计方法被调用的次数，它的默认阈值在 client模式下是1500 次。在 server模式下是10000 次。超过这个阈值，就会触发JIT编译。
这个阀值可以通过虚拟机参数-xx:CompileThreshold来人为设定。
在这里插入图片描述
热度衰减

如果不做任何设置，方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率，即一段时间之内方法被调用的次数。当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为方法调用计数器热度的衰减(Counter Decay)，而这段时间就称为此方法统计的半衰周期（counter Half Life Time) .
进行热度衰减的动作是在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的，可以使用虚拟机参数-XX:-UseCounterDecay来关闭热度衰减，让方法计数器统计方法调用的绝对次数，这样，只要系统运行时间足够长，绝大部分方法都会被编译成本地代码。
另外，可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。