2. JVM基本结构

JVM启动流程

JVM基本结构

1. PC寄存器 or 程序计数器(Program Counter Register)

• 是一块较小的内存空间，指向下一条指令的地址：分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基本功能都需要依赖它来完成
• 执行本地方法时，PC的值为空(undefined)
• 每个线程拥有一个PC寄存器：在任何一个确定的时刻，一个处理器(内核)都只会执行一条线程中的指令
• 在线程创建时创建

2. Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

• 线程私有的(和PC寄存器一样)
• 每个Java方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame：方法运行时的基本数据结构)：存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息
• 每一个方法从调用直至执行完成：对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程
• 局部变量表(Local Variable Table)：存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)，即，方法参数和方法内部定义的局部变量
  • 64位长度的long和double数据会占用2个局部变量空间(slot)，其余的数据类型只占用1个
  • 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配：一个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，运行期间不会改变局部变量表的大小
  • 实例方法(非static的方法)的局部变量表中第0位索引的Slot默认是对此方法所属对象实例的引用，即，"this"，余下的Slot则与static方法相同
• 操作数栈(Operand Stack)：Java没有寄存器，所有参数传递使用操作数栈
  • 后入先出
  • 32位数据类型所占的栈容量为1，64位数据类型所占的栈容量为2
• 栈上分配
  • 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下，可以直接分配在栈上
  • 直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力
  • 大对象或者逃逸对象无法栈上分配

3. Java堆(Java Heap)

• 被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建：唯一目的就是存放对象实例
• 是GC管理的主要区域
• GC基本都采用分代收集算法：Java堆可以细分为新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等
• 可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可：主流的虚拟机都是按照大小可扩展来实现的

4. 方法区(Method Area)

• 各个线程共享的内存区域(与Java堆一样)：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
• 在HotSpot虚拟机上，很多人把方法区称为“永久代”：两者并不等价，只是因为使用了永久代来实现方法区--这样更容易遇到内存溢出问题，放弃中，JDK 1.7已经把原本放在永久代的字符串常量池移出到堆中

5. 栈、堆、方法区交互

public class AppMain
//运行时, jvm把appmain的信息都放入方法区
{
    public static void main(String[] args) 
    //main 方法本身放入方法区。
    {
        Sample test1 = new Sample("测试1");
        //test1是引用，所以放到栈区里，Sample是自定义对象应该放到堆里面
        Sample test2 = new Sample("测试2");
        test1.printName();
        test2.printName();
    }
    
    public class Sample
    //运行时, jvm把Sample的信息都放入方法区
    {
        private name;
        //new Sample实例后，name引用放入栈区里，name 对象放入堆里
        public Sample(String name)
        {
            this.name =name;
        }
        //print方法本身放入方法区里。
        public void printName()
        {
            System.out.println(name);
        }
    }
}

内存模型

Java内存模型的主要目标：定义程序中各个变量的访问规则，即，在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节

• 主内存(Main Memory)：存储所有的变量
• 每条线程还有自己的工作内存(Working Memory)：保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作<读取、赋值等>都必须在工作内存中进行

• 数据从主内存复制到工作内存：必须按顺序执行read和load
  1. 由主内存执行的读（read）操作；
  2. 由工作内存执行的相应的加载(load)操作
• 数据从工作内存拷贝到主内存
  1. 由工作内存执行的存储（store）操作；
  2. 由主内存执行的相应的写（write）操作
• 每种操作都是原子的、不可再分的：lock unlock read load use assign store write
• 执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：
  • 不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受；或者从工作内存发起回写了但主内存不接受
  • 变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存
  • 没有发生过assign操作时不允许把数据从线程的工作内存同步回主内存
  • 对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作
  • 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行湘通次数的unlock操作，变量才会被解锁
  • 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
  • 如果一个变量事先没有被lock锁定，那就不允许对它执行unlock，也不允许去unlock一个被其它线程锁定的变量
  • 对一个变量执行unlock之前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)
• volatile关键字：Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制
  • 非正式但通俗易懂的作用介绍：当一个变量定义为volatile后，它将具备两种特性
    1. 保证此变量对所有线程的可见性(当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说是可以立即得知的)：volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题，但是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的，只有在以下运算场景中才适合使用volatile变量，否则仍然要通过锁(synchronized或java.util.concurrent中的原子类)来保证原子性
       • 运算结果并不依赖变量的当前值
       • 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束
    2. 禁止指令重排
  • 选用volatile的意义--它能让我们的代码比使用其他的同步工具更快吗？
    • 大多数场景下volatile的总开销比锁要低
    • 在volatile与锁之中选择的唯一依据是volatile的语义能否满足使用场景的要求
• 原子性、可见性与有序性：Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的
  • 原子性(Atomicity)
    • 基本数据类型的访问读写是具备原子性的
    • 在synchronized块之间的操作也具备原子性
  • 可见性(Visibility)：当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改
    • volatile
    • synchronized：对一个变量执行unlock前，必须先把此变量同步回主内存中
    • final：一旦初始化完成，其他线程就可见
  • 有序性(Ordering)：在本线程内，操作都是有序的；在线程外观察，操作都是无序的：“指令重排”或“工作内存与主内存同步延迟”）
    • volatile
    • synchronized：一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock--持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入
• 先行发生原则(happens-before)：判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据
  • 程序顺序规则(Program Order Rule)：一个线程内保证语义的串行性
  • 锁规则(Monitor Lock Rule)：解锁(unlock)必然发生在随后的对同一个锁的加锁(lock)前
  • volatile规则(Volatile Variable Rule)：对一个volatile变量的写，先发生于读
  • 线程启动规则(Thread Start Rule)：线程的start方法先于它的每一个动作
  • 线程终止规则(Thread Termination Rule)：线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）
  • 线程中断规则(Thread Interruption Rule)：线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
  • 对象终结规则(Finalizer Rule)：对象的构造函数执行结束先于finalize()方法
  • 传递性(Transitivity)：A先于B，B先于C 那么A必然先于C
  • 结论：一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”；一个操作“先行发生”不能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”

编译和解释运行的概念

• 解释运行
  • 解释执行以解释方式运行字节码
  • 解释执行的意思是：读一句执行一句
• 编译运行（JIT）
  • 将字节码编译成机器码
  • 直接执行机器码
  • 运行时编译
  • 编译后性能有数量级的提升
• 解释器与编译器两者各有优势：
  • 当程序需要迅速启动和执行的时候，解释器可以首先发挥作用，省去编译的时间，立即执行
  • 当程序运行后，随着时间的推移，编译器逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码之后，可以获取更高的执行效率