JVM剖析

0.前言

Java 是当今世界使用最广泛的技术平台之一。使用 Java 或 JVM 的一些技术包括：

• Apache spark用于大数据处理，数据分析在JVM上运行;
• 用于数据流的Apache NiFi在内部使用的也是 JVM;
• 现代 Web 和移动应用程序开发中使用的React native使用 的也包含JVM 和 java 线程。

1.虚拟化

JVM 基于虚拟化技术（应用程序级虚拟化），它基本上是裸机硬件之上的抽象层。


JVM 是应用程序级虚拟化的一个例子，它基本上是主机操作系统上的一个额外层。我们可以在操作系统内的沙箱中编译和运行 Java 程序，而不是直接使用操作系统例程。

2.代码编译与字节码

Java 代码在执行前要经过一系列转换。第一个编译过程从 java 编译器或javac开始，javac 将 java 代码转换为中间字节码，可以使用javap 等反汇编工具读取，字节码独立于计算机的平台架构，这是 java 编程语言具有可移植性的根本原因。

3.Java类结构

以下是使用 javap 反汇编后类文件的组成部分。

每个类文件都以一个魔法数字开头，用于确认给定文件是类文件，接下来是类格式的版本，用于检查 JVM 版本与用于编译类文件的版本的兼容性。如果存在任何不匹配，则会抛出UnsupportedClassVersionError 。

其他组件用于存储类中使用的常量，访问标志存储访问说明符（公共、私有、抽象等）。类似地，其他组件存储类中使用的超类名称、接口和方法。

public class HelloWorld { 
	public static void main(String[] args) { 
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			 System.out.println("Hello World");
	    } 
	}
}

反汇编上面的 hello world 程序，结果如下是运行 hello world 程序，结果如下：

Classfile /home/xxxxxxxx/Documents/learning/java/jvm/HelloWorld.class
  Last modified 7 Oct 2021; size 478 bytes
  SHA-256 checksum 93080c0483aa97ce4c226f31f22ed95c633e0da00b997fe229bfa676f6fb53c0
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #5                          // HelloWorld
  super_class: #6                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1

相应的机器语言指令将会是：

0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush        10
5: if_icmpge     22
8: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
11: ldc           #3                  // String Hello World
13: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
16: iinc          1, 1
19: goto          2
22: return

源码解读：将常量存储到JVM堆栈中加载并与10进行比较，如果数字大于或等于10，则停止并退出函数，否则打印“ Hello world ”，直到满足条件。

4.解释和类加载

将给定的源代码转换为字节后，JVM 将开始逐行解释类文件。JVM 是基于堆栈的解释器机器，因此 JVM 将使用内部堆栈来存储执行结果，而不是使用CPU 寄存器。此过程从将执行所需的所有类加载到方法缓存中开始。

4.1.类加载

代码执行中的三个重要过程：

• 加载：加载执行所需的所有类。

• 链接：验证类文件并解析所有符号引用。

• 初始化：初始化程序中定义的所有静态变量。

4.1.1.类加载器的类型

• 启动类加载器： Bootstrap 类加载器将加载源代码中的所有核心类，包括包含 main 函数的类。

• 扩展类加载器：扩展类加载器以引导类作为其父类加载器。如果核心 Java 类中的任何方法被重写，则扩展类加载器将加载该类而不是原始类。

• 应用程序类加载器：加载类路径中找到的所有类。如果类路径中未找到某个类，则会抛出classnotfound异常。

5.热点编译

C++ 实现遵循零开销原则：您不用的东西就不用付费。而且，您用的东西，您编写的代码再好不过了。Bjarne Stroustrup

ava 是一种蓝领语言。它不是博士论文材料，而是一种工作语言。James Gosling

热点编译是一种使 Java 代码执行速度比 C 和 C++ 等语言更快、更高效的方法。热点编译是一种方法，在解释过程进行时，分析器将开始收集有关执行的信息，基于此信息，即时 ( JIT)编译器将应用一组优化。

6.Java内存分配及内存管理

JVM 中运行的所有线程都会有一个公共堆，运行程序所需的所有内存都会从这个堆中分配，如果所需内存大于当前 JVM 堆内存，则会引发内存超出范围的异常。默认情况下，对象是可变的，除非它们由 final 关键字定义。

一个线程创建的任何对象都可以被另一个线程访问，可以通过一种称为互斥锁或互斥锁的技术来避免异常情况（一个线程引用的内存被另一个线程改变）。

7.JIT编译

此过程也称为配置文件引导优化。配置文件将跟踪当前正在运行的子系统的信息，当值达到某个阈值时将应用一组优化。一些配置文件引导优化策略如下：

• 基于计数器的优化： Profiler 将保留方法调用次数的计数。如果计数达到大于某个阈值的值，则将缓存该方法，下次无需再次解释该方法，而是直接从缓存中获取该值；
• 堆栈上替换：缓存不经常使用但包含循环的方法；
• 内联：例如，用更高效的代码替换的过程。