JVM集合之开篇点题

大家在平时的开发过程中是否遇到过StackOverflowError、OutOfMemoryError等类似的内存溢出错误呢?大家又是怎么解决这个问题的?再来,大家在面试过程中有没有被面试官提问过jvm的内部构造及如何优化的夺命连环call呢?今天就让我们来一探究竟,先从jvm的内部构造及原理说起,一步一步带大家解决jvm的优化问题。

虚拟机简介

虚拟机(Virtual Machine,简称VM)就是一台虚拟的计算机。它是一款软件,用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上,虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

大名鼎鼎的visual box、vmware就属于系统虚拟机,他们完全是对物理计算机的仿真,提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。

程序虚拟机的代表就是java虚拟机(jvm),他专门为执行单个计算机程序而设计,在java虚拟机中执行的指令我们称为java字节码指令。

无论是系统虚拟机还是程序虚拟机,在上边运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。虚拟机所在的位置:硬件的操作系统之上。虚拟机与JDK和JRE的关系如图所示:

虚拟机与和的关系

架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构,另一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。那么他们之间有什么区别呢?

栈式架构特点:

设计和实现更简单,适用于资源受限的系统;

避开了寄存器的分配难题,使用零地址指令方式分配;

指令流中的指令大部分是零地址指令,其执行过程依赖于操作栈。指令集更小,编译器容易实现;

不需要硬件支持,可移植性好,更好实现跨平台。

寄存器架构特点:

典型的应用是x86的二进制指令集:比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机;

指令集架构则完全依赖于硬件,可移植性差;

性能优秀和执行更高效;

花费更小的指令去完成一项操作;

基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主。

机器指令是机器语言的一条语句,是一组有意义的二进制代码,一条机器指令通常分为两个部分:操作码和地址码。操作码指出该指令应该执行什么样的操作,代表了该指令的功能。地址码指出该指令操作的对象,给出被操作对象的地址。零地址指令指机器指令中操作数地址的个数为0,一地址指令指机器指令中操作数地址的个数为1,以此类推。

由于跨平台性的设计,java的指令都是根据栈来设计的,不同平台的cpu架构不同,所以不能设计为基于寄存器的。

举例:同样执行2+3的逻辑操作,其指令分别如下:

基于栈的计算流程(以Java虚拟机为例--idea中控制台使用javap -v XXX.class执行)

0: iconst_2 //常量2入栈 1: istore_1 //将2从操作数栈存储到局部变量表 第1个位置 2: iconst_3 //常量3入栈 3: istore_2 //将2从操作数栈存储到局部变量表 第2个位置 4: iload_1 //位置为1的数据压入操作数栈 5: iload_2 //位置为2的数据压入操作数栈 6: iadd //常量2,3出栈,执行相加,并将结果压入操作数栈顶 7: istore_3 //结果5存到局部变量表 第三个位置 8: return

基于寄存器的计算流程:

mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1 add eax,3 //使eax寄存器的值加3 java虚拟机的生命周期

虚拟机的启动:Java虚拟机的启动是通过引导类加载器创建一个初始类来完成的,这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

虚拟机的执行:虚拟机的任务是执行java程序,其真正执行的是一个叫做java虚拟机的进程。

虚拟机的退出:

程序正常执行结束;

程序在执行过程中遇到了异常或者错误而异常终止;

操作系统出现错误而导致java虚拟机进程终止;

线程调用Runtime类或者System类的exit方法,或者Runtime类的halt方法,并且java安全管理器也允许这次exit或halt操作;

JNI(Java Native Interface)规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载java虚拟机时,java虚拟机的退出情况。

常见的JVM

如果说java是跨平台的语言,那jvm就是跨语言的平台。只要是将该语言的文件遵循jvm的规范编译成jvm可以识别的字节码文件,就可以在jvm上运行。jvm的特点:一次编译,到处运行;自动内存管理;自动垃圾回收功能。

HotSpot、JRockit与J9并称三大主流JVM:

HotSpot VM:从JDK1.3开始使用,到现在OpenJDK中也在使用。采用解释器与即时编译器并存的架构,拥有成熟的热点代码探测技术和GC机制。所谓热点探测技术有以下两个方面的体现:一、通过计数器找到最具编译价值的代码,触发即时编译或者栈上替换功能--机器指令(cpu可以直接执行的指令)本地缓存;二、即时编译器和解释器协同工作,在最优化的程序响应时间与最佳执行性能之间平衡。

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