淺析Java虛擬機結構與機制 （下)
- 作者：新網
- 來源：新網
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- 2018-05-11 15:13:46
本文主要介紹JVM的組成部分以及它們內部工作的機制和原理。在研究JVM的過程中會發現，其實JVM本身就是一個計算機體系結構，很多原理和我們平時的硬件、微機原理、 操作系統都有十分相似的地方，所以學習JVM本身也是加深自我對計算機結構認識的一個很好的途徑。
本文主要介紹JVM的組成部分以及它們內部工作的機制和原理。在研究JVM的過程中會發現，其實JVM本身就是一個計算機體系結構，很多原理和我們平時的硬件、微機原理、 操作系統都有十分相似的地方，所以學習JVM本身也是加深自我對計算機結構認識的一個很好的途徑。
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div> 四、本地方法棧(Native Method Stack)
本地方法棧類似于Java棧，主要存儲了本地方法調用的狀態。在Sun JDK中，本地方法棧和Java棧是同一個。
五、方法區(Method Area)
類型信息和類的靜態變量都存儲在方法區中。方法區中對于每個類存儲了以下數據：
b.類的類型(Class or Interface)
c.訪問修飾符(public, abstract, final)
d.實現的接口的全限定名的列表
e.常量池
f.字段信息
g.方法信息
h.靜態變量
i.ClassLoader引用
j.Class引用
可見類的所有信息都存儲在方法區中。由于方法區是所有線程共享的，所以必須保證線程安全，舉例來說，如果兩個類同時要加載一個尚未被加載的類，那么一個類會請求它的ClassLoader去加載需要的類，另一個類只能等待而不會重復加載。
此外為了加快調用方法的速度，通常還會為每個非抽象類創建私有的方法表，方法表是一個數組，存放了實例可能被調用的實例方法的直接引用。方法表對于多態有非常重要的意義，具體可以參照《淺談多態機制的意義及實現》一文中“多態的實現”一節。
在Sun JDK中，方法區對應了持久代(Permanent Generation)，默認最小值為16MB，最大值為64MB。
六、堆(Heap)
堆用于存儲對象實例以及數組值。堆中有指向類數據的指針，該指針指向了方法區中對應的類型信息。堆中還可能存放了指向方法 表的指針。堆是所有線程共享的，所以在進行實例化對象等操作時，需要解決同步問題。此外，堆中的實例數據中還包含了對象鎖，并且針對不同的垃圾收集策略， 可能存放了引用計數或清掃標記等數據。
在堆的管理上，Sun JDK從1.2版本開始引入了分代管理的方式。主要分為新生代、舊生代。分代方式大大改善了垃圾收集的效率。
1、新生代(New Generation)
大多數情況下新對象都被分配在新生代中，新生代由Eden Space和兩塊相同大小的Survivor Space組成，后兩者主要用于Minor GC時的對象復制(Minor GC的過程在此不詳細討論)。
JVM在Eden Space中會開辟一小塊獨立的TLAB(Thread Local Allocation Buffer)區域用于更高效的內存分配，我們知道在堆上分配內存需要鎖定整個堆，而在TLAB上則不需要，JVM在分配對象時會盡量在TLAB上分配，以提高效率。
2、舊生代(Old Generation/Tenuring Generation)
在新生代中存活時間較久的對象將會被轉入舊生代，舊生代進行垃圾收集的頻率沒有新生代高。
七、執行引擎
執行引擎是JVM執行Java字節碼的核心，執行方式主要分為解釋執行、編譯執行、自適應優化執行、硬件芯片執行方式。
JVM的指令集是基于棧而非寄存器的，這樣做的好處在于可以使指令盡可能緊湊，便于快速地在網絡上傳輸(別忘了Java最初就是為網絡設計的)，同 時也很容易適應通用寄存器較少的平臺，并且有利于代碼優化，由于Java棧和PC寄存器是線程私有的，線程之間無法互相干涉彼此的棧。每個線程擁有獨立的 JVM執行引擎實例。
JVM指令由單字節操作碼和若干操作數組成。對于需要操作數的指令，通常是先把操作數壓入操作數棧，即使是對局部變量賦值，也會先入棧再賦值。注意這里是“通常”情況，之后會講到由于優化導致的例外。
1、解釋執行
和一些動態語言類似，JVM可以解釋執行字節碼。Sun JDK采用了token-threading的方式，感興趣的同學可以深入了解一下。
解釋執行中有幾種優化方式：
a.棧頂緩存
將位于操作數棧頂的值直接緩存在寄存器上，對于大部分只需要一個操作數的指令而言，就無需再入棧，可以直接在寄存器上進行計算，結果壓入操作數站。這樣便減少了寄存器和內存的交換開銷。
b.部分棧幀共享
被調用方法可將調用方法棧幀中的操作數棧作為自己的局部變量區，這樣在獲取方法參數時減少了復制參數的開銷。
c.執行機器指令
在一些特殊情況下，JVM會執行機器指令以提高速度。
2、編譯執行
為了提升執行速度，Sun JDK提供了將字節碼編譯為機器指令的支持，主要利用了JIT(Just-In-Time)編譯器在運行時進行編譯，它會在第一次執行時編譯字節碼為機器碼并緩存，之后就可以重復利用。Oracle JRockit采用的是完全的編譯執行。
3、自適應優化執行
自適應優化執行的思想是程序中10%~20%的代碼占據了80%~90%的執行時間，所以通過將那少部分代碼編譯為優化過 的機器碼就可以大大提升執行效率。自適應優化的典型代表是Sun的Hotspot VM，正如其名，JVM會監測代碼的執行情況，當判斷特定方法是瓶頸或熱點時，將會啟動一個后臺線程，把該方法的字節碼編譯為極度優化的、靜態鏈接的 C++代碼。當方法不再是熱區時，則會取消編譯過的代碼，重新進行解釋執行。
自適應優化不僅通過利用小部分的編譯時間獲得大部分的效率提升，而且由于在執行過程中時刻監測，對內聯代碼等優化也起到了很大的作用。由于面向對象的多態性，一個方法可能對應了很多種不同實現，自適應優化就可以通過監測只內聯那些用到的代碼，大大減少了內聯函數的大小。
Sun JDK在編譯上采用了兩種模式：Client和Server模式。前者較為輕量級，占用內存較少。后者的優化程序更高，占用內存更多。
在Server模式中會進行對象的逃逸分析，即方法中的對象是否會在方法外使用，如果被其它方法使用了，則該對象是逃逸的。對于非逃逸對象，JVM 會在棧上直接分配對象(所以對象不一定是在堆上分配的)，線程獲取對象會更加快速，同時當方法返回時，由于棧幀被拋棄，也有利于對象的垃圾收集。 Server模式還會通過分析去除一些不必要的同步，感興趣的同學可以研究一下Sun JDK 6引入的Biased Locking機制。
此外，執行引擎也必須保證線程安全性，因而JMM(Java Memory Model)也是由執行引擎確保的。
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