高性能编程-JAVA程序运行原理分析

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JVM运行时数据区

  • 线程独占:每个线程都会有它独立的空间,随线程生命周期而创建和销毁
  • 线程共享: 所有线程能访问这块内存数据,随虚拟机或者GC而创建和销毁
  • 方法区:
    • JVM用来存储和加载的类信息、常量、静态变量、编译后的代码等数据;
    • 虚拟机规范中这是一个逻辑区域。具体实现根据不同虚拟机来实现。
    • 如:oracle的HotSpot在java7中的方法区就放在永久代,java8就放在元数据空间中,并且通过GC机制对这个区域进行管理。
  • 推内存:
    • 堆内存还可以细分为:老年代、新生代(Eden、From Survivor、To Survivor)JVM启动时创建,存放对象的实例。垃圾回收器主要就是管理堆内存。如果满了,就会出现OutOfMemroyError。
  • 虚拟机栈:
    • 虚拟机栈,每个线程都在这个空间有一个私有空间。
    • 线程栈由多个栈帧(Stack Frame)组成。
    • 一个线程会执行一个或多个方法,一个方法对应一个战帧
    • 栈帧内容包含:局部变量表、操作数据栈、动态链接、方法返回地址、附加信息等。
    • 栈内存默认最大是1M,超出则抛出StackOverflowError
  • 本地方法栈:
    • 和虚拟机栈功能类似,虚拟机栈是为虚拟机执行JAVA方法而准备的,本地方法栈是为虚拟机使用Native本地方法而准备的。
    • 虚拟机规范没有规定具体的实现,由不同的虚拟机厂商去实现。
    • HotSpot虚拟机中虚拟机栈和本地方法栈的实现式一样的。同样,超出大小以后会抛出StackOverflowError。
  • 程序计数器:
    • 程序计数器(Program Counter Register)记录当前线程执行字节码的位置,存储的是字节码指令地址,如果执行Native方法,则计数器值为空。
    • 每个线程都在这个空间有一个私有的空间,占用内存空间很少。
    • CPU同一时间,只会执行一条线程中的指令。JVM多线程会轮流切换并分配CPU执行时间的方式。为了线程切换后,需要通过程序计数器,来恢复正确的执行位置。

例子:查看class文件内容

public class Demo1{
	public static void main(String[]args){
    	int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x/y;
        int b = 50;
        System.out.println(a+b);
    }
}
//编译
javac Demo1.java
//javap查看内容
javap -v Demo1.class > Demo1.txt
  • class内容-版本号/访问控制
    • 版本号规则:JDK5,6,7,8分别对应49,50,51,52
    • 访问标志:
      标志名称 标志值含义
      ACC_PUBLIC0x00 01是否为Public类型
      ACC_FINAL0x00 10是否被声明为final,只有类可以设置
      ACC_SUPER0x00 20是否允许使用invokespecial字节码指令的新语义.
      ACC_INTERFACE0x02 00标志这是一个接口
      ACC_ABSTRACT0x04 00是否为abstract类型,对于接口或者抽象类来说,次标志值为真,其他类型为假
      ACC_SYNTHETIC0x10 00标志这个类并非由用户代码产生
      ACC_ANNOTATION0x20 00标志这是一个注解
      ACC_ENUM0x40 00标志这是一个枚举
  • Demo1.txt
Classfile /D:/Demo1.class
  Last modified 2021-2-11; size 414 bytes
  MD5 checksum ae6fa820973681b35609c75631cb255b
  Compiled from "Demo1.java"
public class Demo1
  minor version: 0  //次版本号
  major version: 52 //主版本号
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER //访问标志
  • class内容-常量池

    • 类信息包含的静态常量,编译之后就能确认

  • Demo1.txt

Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #17.#18        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #4 = Class              #19            // Demo1
   #5 = Class              #20            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               <init>
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               main
  #11 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               Demo1.java
  #14 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
  #15 = Class              #21            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #22:#23        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Class              #24            // java/io/PrintStream
  #18 = NameAndType        #25:#26        // println:(I)V
  #19 = Utf8               Demo1
  #20 = Utf8               java/lang/Object
  #21 = Utf8               java/lang/System
  #22 = Utf8               out
  #23 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #24 = Utf8               java/io/PrintStream
  #25 = Utf8               println
  #26 = Utf8               (I)V
  • class内容-构造方法
    • Demo1这个实例中,我们并没有写构造函数。没有定义构造函数时,会有隐式的无参构造函数。
 public Demo1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
  • class内容-程序入口main方法
  • 描述了方法的:
    • 访问控制 :flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    • 本地变量数量:stack=3,
    • 参数数量:locals=5
    • 方法对应栈帧中操作数栈的深度:args_size=1
    • JVM执行引擎去执行这些源码编译过后的指令码。javap翻译出来是操作符,class文件内存储的是指令码。前面的数字,是偏移量(字节),jvm根据这个区分不同的指令。详情可以查看“JVM指令码表”
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=5, args_size=1
         0: sipush        500
         3: istore_1
         4: bipush        100
         6: istore_2
         7: iload_1
         8: iload_2
         9: idiv
        10: istore_3
        11: bipush        50
        13: istore        4
        15: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        18: iload_3
        19: iload         4
        21: iadd
        22: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        25: return
  • 程序完整运行分析
    • 编译

    • 加载信息(类信息和运行时常量池字符串常量)到方法区 HotSpot虚拟机:1.7和之前的称为永久代,1.8开始称为元数据空间

    • JVM创建线程来执行代码

    • 在虚拟机栈、程序计数器内存区域中创建线程独占空间

    • 调用静态方法 jvm会根据这个方法的描述,创建新栈帧,方法的参数从操作数栈中弹出来,压入虚拟机栈然后虚拟机会开始执行虚拟机栈最上面的栈帧

    • 执行完毕后,在继续执行main方法对应的栈帧