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JVM Internals学习笔记

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原文: JVM Interals

Thread

Hotspot JVM 将Java线程一对一映射到操作系统原生线程上

  • Java线程状态初始化，如thread-local sotrage, allocation buffers, synchronization objects, stacks, program counter
  • 原生线程创建，调用run()方法
  • run()方法返回，处理未捕获异常
  • 线程终止，释放Java线程及原生线程资源，并判断JVM是否需要退出（如此线程是最后一个非守护线程）

JVM System Thread

由main方法创建的系统后台线程

  • VM thread
    执行需要JVM在safe-point时才能执行的操作，如GC, thread stack dump, thread suspension, biased locking revocation
  • Periodic task thread
  • GC threads
  • Compiler threads
    运行时编译字节码到native code
  • Signal dispatch thread
    接收操作系统signal并处理

Per thread

与线程一一对应的资源

Program Counter (PC)

下一条指令或操作数的地址，如果是native方法，PC值为undefined

VM Stack

虚拟机栈，存储栈帧(Frame)，每次方法调用时入栈，方法返回或异常时出栈。当栈容量超过最大限制时，会抛出StackOverflowError异常，当新线程没有足够内存创建栈时，会抛出OutOfMemoryError异常

Native Method Stack

本地方法栈，支持native方法执行，类似虚拟机栈，有的实现将两者合并

Stack Frame

栈帧(Stack Frame)是用来存储数据和部分过程结果的数据结构,同时也被用来处理动态链接 (Dynamic Linking)、方法返回值和异常分派(Dispatch Exception)。

栈帧随着方法调用而创建,随着方法结束（返回或抛出异常）而销毁。栈帧包含局部变量表(Local Variables Array)、操作数栈(Operand Stack)和指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用。

  • Local Variable Array
    方法调用时所有的局部变量，包括参数及对this的引用，局部变量可以是基本类型，引用及返回地址，其中long和double占用两个局部变量。当方法调用时，参数会传递至从0开始的连续位置中，如果是实例方法，0存储方法所在对象的应用（即this）。局部变量表是可重用的，超出作用域的变量的位置可以被新变量使用。局部变量表长度在编译器决定。
  • Oprand Stack
    用于字节码操作，性质类似CPU寄存器，例如调用iadd字节码指令会将栈顶两个int值出栈相加后再入栈
  • Dynamic Linking (Reference to runtime constant pool)
    C/C++代码在编译链接阶段会将符号引用(symbolic reference)转化为实际内存地址，对于Java来说，链接是在运行时动态进行的。Java class编译时，所有的变量及方法引用都以符号引用形式保存在class的常量池中，由JVM选择解析时机，eager/static 或者lazy/later resolution。解析只发生一次，同时会触发必要的类加载，解析后的direct reference以相对于方法或变量运行时位置存储结构的偏移量存储

Shared Between Threads

线程间共享的资源

Heap

存储对象实例及数组，栈帧被设计为创建后大小不可变，因此可变对象都存放在堆中，栈帧中仅保存基础类型及引用

Interned Strings

String常量池，在类加载时，所有的String常量都会被保存到常量池中。运行时也可以显式调用String.intern()，如果常量池中已经存在该string，则直接返回引用，否则将该string加入常量池中并返回引用。
Java 6中String常量池放在Permgen中，容易引发OOM问题，Java 7开始已经将String常量池放到堆中，默认大小为60013，如果重度使用intern的话需要配置的更大避免hash冲突导致性能下降，详细信息参考String.intern in Java 6, 7 and 8

Non-Heap Memory

Method Area

方法区，保存每个类的结构信息，如运行时常量池，字段和方法数据，构造函数和普通方法的字节码等等，包括：

  • Classloader Reference
    • 相对应的classloader也会维护一份所有已加载类定义的引用
  • Run Time Constant Pool
  • Field data
  • Method data
  • Method code

Run Time Constant Pool
JVM为每个类维护一个运行时常量池，保存运行时所需的数据，数据类型如下：

  • numeric literals
  • string literals
  • class references
  • field references
  • method references

字节码操作时会直接引用常量池中的数据，例如：

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# 源码
# Object foo = new Object();
# 字节码
 0: new #2 		    // Class java/lang/Object
 1: dup
 2: invokespecial #3    // Method java/lang/Object."<init>"()V

Code Cache

保存JIT编译后的本地代码，以前遇到过JDK的bug，Code Cache占用过高触发回收后JIT失效，因此可以考虑相对设置的大一些避免触发回收-XX:ReservedCodeCacheSize=256m

Class File Structure

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ClassFile {
    u4			magic;
    u2			minor_version;
    u2			major_version;
    u2			constant_pool_count;
    cp_info		contant_pool[constant_pool_count – 1];
    u2			access_flags;
    u2			this_class;
    u2			super_class;
    u2			interfaces_count;
    u2			interfaces[interfaces_count];
    u2			fields_count;
    field_info		fields[fields_count];
    u2			methods_count;
    method_info		methods[methods_count];
    u2			attributes_count;
    attribute_info	attributes[attributes_count];
}

测试代码

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// TestClass.java
package com.test;
public class TestClass {
    public static final String HELLO = "Hello";
    
    private int m;
    
    public int inc(int x) {
        return m + x;
    }
    
    public int inc_r(int x) {
        if (x <= 0) return m;
        return 1 + inc_r(x - 1);
    }
    
    public static int inc_one(int x) {
        return ++x;
    }
}

编译结果

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$ javap -v -p TestClass
public class com.test.TestClass
  minor version: 0
  ## 版本号，1.1为45，后续每个版本加1，52为1.8
  major version: 52
  ## JDK 1.0.2之后编译出的Class文件都带有ACC_SUPER标志，用于兼容invokespecial的语义变更
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
## 常量池，包含Class中所有字符串常量，类或接口名，字段名，方法名和其他常量
Constant pool:
   ## 方法和字段表示方式类似，由class_index和name_and_type_index组成
   #1 = Methodref          #5.#23         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #4.#24         // com/test/TestClass.m:I
   #3 = Methodref          #4.#25         // com/test/TestClass.inc_r:(I)I
   ## 类和接口，值为name_index
   #4 = Class              #26            // com/test/TestClass
   #5 = Class              #27            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               HELLO
   #7 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #8 = Utf8               ConstantValue
   #9 = String             #28            // Hello
  #10 = Utf8               m
  #11 = Utf8               I
  #12 = Utf8               <init>
  #13 = Utf8               ()V
  #14 = Utf8               Code
  #15 = Utf8               LineNumberTable
  #16 = Utf8               inc
  #17 = Utf8               (I)I
  #18 = Utf8               inc_r
  #19 = Utf8               StackMapTable
  #20 = Utf8               inc_one
  #21 = Utf8               SourceFile
  #22 = Utf8               TestClass.java
  ## 用于表示字段和方法，由name_index和descriptor_index组成
  #23 = NameAndType        #12:#13        // "<init>":()V
  #24 = NameAndType        #10:#11        // m:I
  #25 = NameAndType        #18:#17        // inc_r:(I)I
  #26 = Utf8               com/test/TestClass
  #27 = Utf8               java/lang/Object
  #28 = Utf8               Hello
{
  ## field_info表，字段信息
  ## 字段名，name_index，引用自常量池
  public static final java.lang.String HELLO;
    ## 字段描述，descriptor_index，引用自常量池
    descriptor: Ljavabiao/lang/String;
    ## 定义字段被访问权限和基础属性的掩码标志
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ## 属性，attribute_info表，ConstantValue属性表示一个常量字段的值
    ## 只有ACC_STATIC, ACC_FINAL的基本类型和String才会使用ConstantValue方式赋值，其他字段都在执行构造函数时赋值
    ConstantValue: String Hello
  private int m;
    ## int类型
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE
  ## method_info表，方法信息，包括字节码
  ## 初始化函数
  public com.test.TestClass();
    ## 返回值为void，无参数
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    ## 属性，attribute_info表，Code属性保存字节码
    Code:
      ## 栈最大深度，本地变量数量，参数数量（实例方法第一个参数默认为this，因此size为1）
      stack=1, locals=1, args_size=1
      	 ## 推送this到栈顶（将第一个引用类型局部变量推送至栈顶）
         0: aload_0
         ## 调用初始化方法（调用特殊的实例方法，例如私有方法，父类方法和初始化方法）
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         ## 返回void
         4: return
      ## 对应源代码行号，用于调试
      LineNumberTable:
        line 3: 0
  public int inc(int);
    ## 参数为int，返回值为int
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         ## this入栈
         0: aload_0
         ## m入栈（获取指定类的实例域,并将其值压入栈顶）
         1: getfield      #2                  // Field m:I
         ## int参数入栈
         4: iload_1
         ## 将栈顶2个int相加并将结果入栈
         5: iadd
         ## 返回栈顶int
         6: ireturn
      LineNumberTable:
        line 15: 0
  public int inc_r(int);
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      ## stack记录单次调用的最大栈深度
      stack=4, locals=2, args_size=2
         0: iload_1
         1: ifgt          9
         4: aload_0
         5: getfield      #2                  // Field m:I
         8: ireturn
         9: iconst_1
        10: aload_0
        11: iload_1
        12: iconst_1
        13: isub
        ## 调用对象的实例方法
        14: invokevirtual #3                  // Method inc_r:(I)I
        17: iadd
        18: ireturn
      LineNumberTable:
        line 18: 0
        line 19: 9
      ## 帮助在编译期进行字节码验证，代替加载阶段性能开销较高的基于数据流的类型推导验证器
      ## 按照控制流（if/goto）将代码分为多个frame
      ## StackMapTable记录每个frame的字节码偏移量及局部变量和操作数栈的变化
      ## 每个方法的第一个frame都是隐式生成的，这边显示的从第二个开始
      ## 参考：http://hllvm.group.iteye.com/group/topic/26545
      StackMapTable: number_of_entries = 1
        ## 偏移量为9（if结束后），局部变量和操作数栈没有变化（same）
        frame_type = 9 /* same */
  public static int inc_one(int);
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      ## static方法，因此没有this参数
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: iinc          0, 1
         3: iload_0
         4: ireturn
      LineNumberTable:
        line 22: 0
}
SourceFile: "TestClass.java"

Classloader