JVM筆記 -- JVM的發展以及基於棧的指令集架構

第十六封發表於2021-03-07
JVM筆記架構
    1. 2011年，JDK7釋出，1.7u4中，開始啟用新的垃圾回收器G1（但是不是預設）。
    1. 2017年，釋出JDK9，G1成為預設GC，代替CMS。(一般公司使用jdk8的時候，會通過引數，指定GC為G1)
    1. 2018年，釋出JDK11，帶來了革命性ZGC，效能比較強。

虛擬機器介紹

虛擬機器，就是虛擬的計算機，可以執行一系列虛擬計算機指令，大體上可以分為系統虛擬機器和程式虛擬機器。它們執行時，都會受到虛擬機器提供的資源的限制。

  • 系統虛擬機器：模擬模擬系統的，比如Visual Box，VMware。
  • 程式虛擬機器：為執行單個計算機程式設計的，比如Java虛擬機器。

JAVA虛擬機器

Java虛擬機器是一臺執行位元組碼的虛擬機器計算機，但是位元組碼不一定是由Java語言編譯而成。但是隻要使用這一套虛擬機器規則的語言，就可以享受到跨平臺，垃圾收集以及可靠的即時編譯器。JVM和硬體之間沒有直接的互動。

  • 一次編譯，到處執行。
  • 自動記憶體管理
  • 自動垃圾回收

下面是ava平臺文件中Java概念圖的描述，可以看出javac命令在JDK中，也就是將.java檔案編譯成為.class檔案，這個就是前端編譯器，將原始檔編譯成為位元組碼。這個編譯器不在JRE中，也說明了JRE不包括編譯環境。

JRE和JDK都包括了JVM虛擬機器。JRE是執行時環境，而JDK包含了開發環境。

JDK7 中java家族的結構組成 : https://docs.oracle.com/javase/7/docs/

JDK7 中java家族的結構組成 : https://docs.oracle.com/javase/8/docs/

JVM結構

上面的圖主要包括三部分：類載入器，執行時資料區，執行引擎。

類載入器，主要是將Class檔案（已經經過前端編譯器編譯後的位元組碼檔案），載入到執行時資料區，生成Class物件，這個過程會設計載入，連結，初始化等過程。

執行時區域主要分為：

  • 執行緒私有（每個執行緒有一份）：
    • 程式計數器:Program Count Register,執行緒私有，沒有垃圾回收
    • 虛擬機器棧:VM Stack，執行緒私有，沒有垃圾回收
    • 本地方法棧:Native Method Stack,執行緒私有，沒有垃圾回收
  • 執行緒共享：
    • 方法區:Method Area，以HotSpot為例，JDK1.8後元空間取代方法區，有垃圾回收。
    • 堆:Heap，垃圾回收最重要的地方。

執行引擎主要包括直譯器和即時編譯器（熱點程式碼提前編譯好，這是後端編譯器），垃圾回收器。位元組碼檔案不能直接被機器識別，所以需要執行引擎來做轉換。

Java程式碼執行流程

Java程式碼變成位元組碼檔案的過程中，其實包含了詞法分析，語法分析，語法樹，語義分析等一系列操作。

在執行引擎中，有JIT編譯器，也就是第二次編譯的過程會發生在這裡，會將熱點程式碼編譯成為機器指令，是按照方法的維度，快取起來（放在方法區）,也稱之為CodeCache。

JVM架構模型

Java編譯器主要是基於棧的指令集架構，個人覺得主要原因是可移植性決定的，JVM需要跨平臺。指令集架構主要有兩種：

  • 基於棧的指令集架構：一個方法相當於一個入棧的操作，執行完相當於出棧操作。
  • 基於暫存器的指令集架構

基於棧的指令集架構的特點

主要特點：

  • 設計實現簡單，適用於資源受限的系統，比如機頂盒，小玩具上。
  • 避開暫存器分配難題：使用零地址指令方式分配。
  • 指令流中大部分都是零地址指令，執行過程依賴操作棧，指令集更小（零地址），編譯器容易實現。
  • 不需要硬體支援，可移植性強，容易實現跨平臺。

基於暫存器架構的特點

  • 典型應用是x86的二進位制指令集
  • 依賴於硬體，可移植性差
  • 效能好，執行效率高
  • 更少指令執行一項操作
  • 大部分情況下，暫存器的架構，一，二，三地址指令為主，而基於棧的指令集卻是以零地址指令為主。

說明：什麼叫零地址指令，一地址指令，二地址指令？
零地址指令只有操作碼,沒有運算元。這種指令有兩種情況:一是無需運算元,另一種是運算元為預設的(隱含的),預設為運算元在暫存器中,指令可直接訪問暫存器。

  • 三地址指令：一般地址域中A1、A2分別確定第一、第二運算元地址,A3確定結果地址。下一條指令的地址通常由程式計數器按順序給出。

  • 二地址指令：地址域中A1確定第一運算元地址，A2同時確定第二運算元地址和結果地址。

  • 單地址指令：地址域中A 確定第一運算元地址。固定使用某個暫存器存放第二運算元和操作結果。因而在指令中隱含了它們的地址。

  • 零地址指令：在堆疊型計算機中，運算元一般存放在下推堆疊頂的兩個單元中,結果又放入棧頂,地址均被隱含，因而大多數指令只有操作碼而沒有地址域。

棧資料結構，一般只有入棧和出棧，所以操作的地方只有棧頂元素，所以位置是確定的，不需要地址。

例子
執行2+3的操作，如果是基於棧的計算流程：

iconst_2 // 常量2入棧
istore_1 
iconst_3 // 常量3入棧
istore_2
iload_1
iload_2
iadd  // 常量2,3出棧，執行相加
istore_0  // 結果5入棧

基於暫存器的計算流程：

mov eax,2   //將eax暫存器的值設定為2
add eax,3   // 將eax暫存器的值加3

從上面的例子可以看出來，基於棧的暫存器的指令更小，但是基於暫存器的指令更少。

我們可以通過一個簡單程式看一下：

public class StackStructTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2 + 3;
    }
}

編譯後，切換到class目錄下，使用命令反編譯：

java -v StackStructTest.class

看到位元組碼的模組，可以看到前面有iconst_5，其實5就是2+3的結果,也就是編譯期間就會直接把2+3變成5，不會在執行的時候才去計算，這個是因為2和3都是常量。

這個現象稱之為編譯期的常量摺疊。

但是如果我們把程式碼成下面這種情況呢？

        int i = 2;
        int j = 3;
        int k = i + j;

反編譯出來的指令：

const意思是constant(常量)，store是storeage暫存器。

 stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2  // 2是個常量
         1: istore_1  // 2載入到1號運算元棧
         2: iconst_3  // 3是一個產量
         3: istore_2  // 3載入到2號運算元棧
         4: iload_1   // 將1號運算元棧取出，載入進來
         5: iload_2   // 將2號運算元棧取出，載入進來
         6: iadd      // 兩者相加
         7: istore_3  // 結果儲存到索引為3號運算元棧中
         8: return

也就是棧架構的JVM，需要 8 條指令才能完成上面的變數相加計算。

棧架構總結

由於跨平臺特性，Java指令基於棧來設計，因為不同的CPU架構不同，優點是跨平臺，指令集小，編譯器容易實現。缺點是效能下降，實現同樣功能需要更多指令。

【作者簡介】：
秦懷，公眾號【秦懷雜貨店】作者，技術之路不在一時，山高水長，縱使緩慢，馳而不息。個人寫作方向：Java原始碼解析，JDBC，Mybatis，Spring，redis，分散式，劍指Offer，LeetCode等，認真寫好每一篇文章，不喜歡標題黨，不喜歡花裡胡哨，大多寫系列文章，不能保證我寫的都完全正確，但是我保證所寫的均經過實踐或者查詢資料。遺漏或者錯誤之處，還望指正。

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