栈帧技术分享:JVM 知识体系

科技资讯 2019-12-25186未知admin

  Java代码经过Java编译器编译,会编译成class文件,一种平台无关的代码格式,class文件按照jvm规范,包括了java代码运行所需的元数据和代码等内容。jvm加载class文件后,就可以执行java代码了。

  JVM有不同的实现,有我们熟悉的Hotspot虚拟机,JRockit等。在各个操作系统上,又回有各自的虚拟机实现,从而形成了Java代码 class文件 JVM规范 JVM实现的层次。再加上其他语言如scala、groovy也能够生成class文件,这样不仅实现了平台无关性,也实现了语言无关性。

  JVM体系,分为JVM内存结构,Class文件结构,Java ByteCode,垃圾收集算法和实现,调优和工具,以及Java内存模型(JMM)。

  通常,认为大概分为线程共享的区域和线程私有的区域。共享区域在JVM启动时创建,私有区域伴随这线程的启动和结束。栈帧

  Java天生支持多线程,多线程会程切换的问题,当一个线程从可运行状态得到CPU调度进入运行状态,CPU需要知道从哪里开始执行,并且Java是一种基于栈的执行架构(区别于基于寄存器的架构)。当执行一个Java方法时,PC会指向下一条指令的。执行native方法时,PC是未定义。操作指令可能会有0个或多个操作数。JVM的执行流程大概可以描述为:

  Java虚拟机栈,或者叫方法栈,会伴随这方法的调用和返回进行相应的入栈和出栈。栈的元素是栈帧(Stack Frame), 栈帧中的内容包括: 操作数栈,本地变量表,动态链接等信息。当线程调用一个方法的时候,会组装对应的栈帧入栈。

  本地变量表存储方法的参数、方法内部创建的局部变量。本地变量表的大小在编译时就确定了。本地变量表会根据变量的作用范围选择重用一个。本地变量表会存放int,char,byte,float,double,long,address(实例引用)。其中除了double和long其他变量占用一个slot,一个slot指一个抽象的,在32位虚拟机中是32bit大小,double和long占用两个slot。

  值得注意的是,如果一个方法是实例方法,Java编译器会将this作为第一个参数传入本地变量表。另外Java中面向对象,方法调用可以这样理解

  操作数栈用于方法内执行保存中间结果,Java方法中的代码逻辑就是通过操作数栈来实现的。和本地方法表一样,操作数栈也是在编译时就确定最大大小了,即最大深度。操作数栈可以和本地变量表交互,进行数据的存放和读取。下面用一个简单的例子展示一下。

  iload_1 #读是1的本地变量(本地变量表从0开始,0是this引用)此时操作数栈是 a

  iadd #进行int类型的add操作,会取出栈头的两个元素取出进行相加并将结果入栈。此时操作数栈是 c (相加的结果)

  创建的对象(包括普通实例和数组)都分配在Heap区(不考虑一些虚拟机的栈上分配优化技术)。在细分的话,一般还分成年轻代和老年代。这是基于这样一个类似28原理的统计,90%多的对象都是很快成为垃圾的对象。所以化为成两个区域,分别使用不同的收集算法,年轻代的收集频率更高,所需空间也相对较小。内存分配时,多个线程会有并发问题,主要通过两种方式解决:1.CAS加上失败重试分配内存地址。2. TLAB, 即Thread Local Allocation Buffer, 为每个线程分配一块缓冲区域进行对象分配。年轻代还可以分为两个大小相等的Survivor和一个Eden区域。对象在几种情况下会进入老年代:1. 大对象,超过Eden大小或者PretenureSizeThreshold. 2. 在年轻代的年龄(经历的GC次数)超过设定的值的时候 3. To Survivor存放不下的对象

  一般来说,当某个区域内存不够的时候就会进行垃圾收集。如当Eden区域分配不下对象时,就会进行年轻代的收集。还有其他的情况,如使用CMS收集器时配置CMSInitalize

  当有对象引用自身时,就会计数器加1,删除一个引用就减一,当计数为0时即可判断为垃圾。python等语言使用引用计数。引用计数存在循环引用问题,如两个落单的A和B互相引用,但是没有其他对象指向它们这种情况。

  通过一些根节点开始,分析引用链,没有被引用的对象都可以被标记为垃圾对象。根节点是方法栈中的引用、常量等。

  对非垃圾对象进行标记都,清除其他的对象。这种方式对对内存空间造成空隙,即内存碎片,最终导致有空余空间,栈帧但没有连续的足够大小的空间分配内存。

  标记非垃圾对象后,将这些对象整理好,排列到内存的开始。这样内存就是整齐的了。但是因为会造成对象移动,所以效率会有降低。

  划分成两个相同大小的区域,收集时,将第一个区域的活对象复制到另一个区域,这样不会有内存碎片问题。但是最多只能存放一半内存。

  Serial New的多线程版本。ParNew常和CMS拉配使用。这里说明一些Parallel和Concurrent即并行和并发在垃圾收集这里的表示的不同,并行表示有多个线程同时进行垃圾收集,并发是指垃圾收集线程和应用线程可以并发执行。

  注重延迟latency的收集器,在交互式应用中,如面向用户的web应用,需要尽可能减少垃圾收集造成的停顿时间。在总的统计上,吞吐量可能没有PS收集器高。

  CMS使用标记清除算法,所以有内存碎片问题,可能设置参数在进行若干次不带整理的收集后进行一次带整理(compact)的收集。另外,因为垃圾收集是和应用线程并发执行的,在收集的同时可能还会有垃圾不断产生,即产生了浮动垃圾。另外还需要预留出一定空间,到达这个值后进行收集,但是还会有收集速度赶不上生产的速度,这时就会出现Concurrent Mode Failure,CMS会退化成Serial Old进行GC。

  具有大内存收集和目标效率时间等控制能力,目标是代替CMS。G1通过将内存划分成不同的区域(Region),并对不同区域计算分数,分析那个Region最具有收集价值。栈帧

  -Xms=4g -Xmx=4g 设置Java堆的初始大小和最大大小均为4g,即避免了堆大小调整

  Nio中的DirectByteBuffer就是堆外内存的一部分,这部分内存只能通过Full Gc进行清理。一些框架会通过System.gc调用手动触发gc,但是在启动参数中可能设置了调用System.gc()。另外当设置堆过大时可能会造成堆外内存不够导致OOM。

  工具帮助我们在运行时或问题发生后分析现场,分析内存分布状态,哪里导致内存泄漏等(本该被的对象仍然被引用)。

  javap 可以用可读的方法查看class文件内容,在遇到线上class文件问题,如NoSucheMethodError发生时,可以快速进行判断分析。如分析一个A.class文件,查看它的私有方法和字段。

  其中步骤包括了我们熟悉的词法分析将源文件转换成token流。语法分析将token流转换成抽象语法树(AST)。语义分析分析语义是否正确。源代码优化。目标代码生成和目标代码优化等步骤。最终得到了class文件。之后在虚拟机中,class文件可以通过解释器解释执行和通过即时编译器(JIT-just in time)编译成native代码执行两种方式执行。

  class文件是有严格定义的。符合定义的class文件才能够被JVM加载、验证、初始化、执行。

  constant pool 常量池,常量池中包括了字段、方法、类的名称的符号引用,符号引用会在运行时经过链接转换为直接引用。

  看一下它的class文件,通过vim打开,在Normal模式下,按: 输入%!xxd,即可转换成16进制表示。然后可以通过%!xxd -r转换回来

  bytecode保存在class文件的方法的Code属性中。用一个byte表示操作指令,所以最多有256个指令。一个指令可能会有多个操作数。

  现代计算机的一本基本思想是分层模型,例如网络上的分层。在存储上,为解决CPU和内存磁盘的速度有指数级差别的问题加入了很多缓存,利用局部性原理加快速度,从CPU寄存器到L1Cache、L2Cache、内存、磁盘,各个层的速度依次降低、空间增大、单位bit造价降低。最近CPU的处理能力的垂直增加似乎遇到瓶颈,转而向多核方向发展,多个cpu核可能各自缓存自己的内容,又出现了缓存一致性问题。CPU有一些缓存一致性协议,MESI等。CPU还可能会对机器指令进行乱序执行。JVM为了屏蔽底层的这些差异,提出了Java内存模型,即JMM(Java Memory Model),来Write One Run Anywhere。开发者面向JMM编程,通过JMM提供的一致性和工具,就能一致性问题。

  happen-before用来描述两个操作的偏序关系,如果Ahappen-beforeB,那个A的操作的结果、产生的影响能够被B看到。

  还需通过查看源码、自身探索,真像就在那代码中。每个知识点又能够引出一篇笔记分析。返回搜狐,查看更多

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