jvm运行机制

当代码写的多了，有时容易产生疑惑，这段代码容不容易产生内存溢出呢？该怎么写才更为面向对象利于后期扩展，充分解耦。需要解决这些疑惑就需要对jvm虚拟机有一定的了解了。对jvm的了解也更能帮助我们迈向更为高级的层次。
先来看看jvm的运行机制吧。

JVM启动流程

jvm启动流程图

JVM基本结构

JVM基本结构

• PC寄存器
  • 每个线程拥有一个PC寄存器
  • 在线程创建时 创建
  • 指向下一条指令的地址
  • 执行本地方法时，PC的值为undefined
• 方法区
  • 保存装载的类信息
    • 类型的常量池
    • 字段，方法信息
    • 方法字节码
  • 通常和永久区(Perm)关联在一起
• Java堆
  • 和程序开发密切相关
  • 应用系统对象都保存在Java堆中
  • 所有线程共享Java堆
  • 对分代GC来说，堆也是分代的
  • GC的主要工作区间

java堆分区

java堆分为新生代老年代两个分区，新生代又分为eden区、s0（又称from区）、s1（又称to区）。

• Java栈特点
  • 线程私有
  • 栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫做帧栈）
  • 帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针
  • 每一次方法调用创建一个帧，并压栈

存放局部变量表包含参数和局部变量

看个例子：

public class StackDemo {
    public static int runStatic(int i,long l,float  f,Object o ,byte b){
        return 0;
    }

    public int runInstance(char c,short s,boolean b){
        return 0;
    }
}

上述代码在栈空间的内存图如下：

栈内存示例

函数调用组成帧栈

public static int runStatic(int i,long l,float  f,Object o ,byte b){
    return runStatic(i,l,f,o,b);
}

函数调用栈空间图

操作数栈

Java没有寄存器，所有参数传递使用操作数栈
示例代码

public static int add(int a,int b){
    int c=0;
    c=a+b;
    return c;
}

运行顺序

0: iconst_0 // 0压栈
1: istore_2 // 弹出int，存放于局部变量2
2: iload_0 // 把局部变量0压栈

3: iload_1 // 局部变量1压栈
4: iadd //弹出2个变量，求和，结果压栈
5: istore_2 //弹出结果，放于局部变量2
6: iload_2 //局部变量2压栈
7: ireturn //返回

内存执行图

栈上分配

C++ 代码示例

C++ 代码示例 图片.png

• 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

栈、堆、方法区交互

示例代码：

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appmain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

• 每一个线程有一个工作内存和主存独立
• 工作内存存放主存中变量的值的拷贝

• 当数据从主内存复制到工作存储时，必须出现两个动作：第一，由主内存执行的读（read）操作；第二，由工作内存执行的相应的load操作；当数据从工作内存拷贝到主内存时，也出现两个操作：第一个，由工作内存执行的存储（store）操作；第二，由主内存执行的相应的写（write）操作

• 每一个操作都是原子的，即执行期间不会被中断
• 对于普通变量，一个线程中更新的值，不能马上反应在其他变量中
• 如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字

volatile

public class VolatileStopThread extends Thread{
    private volatile boolean stop = false;
    public void stopMe(){
        stop=true;
    }

    public void run(){
        int i=0;
        while(!stop){
            i++;
        }
       System.out.println("Stop thread");
    }

    public static void main(String args[]) throws InterruptedException{
        VolatileStopThread t=new VolatileStopThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.stopMe();
        Thread.sleep(1000);
    }
}

• 没有volatile -server 运行 无法停止
• volatile 不能代替锁
• 一般认为volatile 比锁性能好（不绝对）
• 选择使用volatile的条件是：语义是否满足应用

可见性

• 一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道
• 保证可见性的方法
  • volatile
  • synchronized （unlock之前，写变量值回主存）
  • final(一旦初始化完成，其他线程就可见)

有序性

• 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 主内存同步延时）

指令重排

• 线程内串行语义
  • 写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后，再读这个位置。
  • 写后写 a = 1;a = 2; 写一个变量之后，再写这个变量。
  • 读后写 a = b;b = 1; 读一个变量之后，再写这个变量。
  • 以上语句不可重排
  • 编译器不考虑多线程间的语义
  • 可重排： a=1;b=2;

坏线程间的有序性

保证有序性的方法

指令重排的基本原则

• 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性
• volatile规则：volatile变量的写，先发生于读
• 锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)前
• 传递性：A先于B，B先于C 那么A必然先于C
• 线程的start方法先于它的每一个动作
• 线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）
• 线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码
• 对象的构造函数执行结束先于finalize()方法

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