JVM执行引擎

章二 jvm执行引擎

本文是jvm系列第二篇，在 JVM 中，执行引擎（Execution Engine）是将字节码转换为机器码并执行的核心组件。它是 Java 虚拟机实现跨平台性和高性能的关键所在。本篇文章将全面解析 JVM 执行引擎的组成、工作原理以及相关优化机制。

• 章二 jvm执行引擎
  • 解释器和编译器
  • 垃圾收集
  • 动态代理的JVM实现差异
    • JDK动态代理类加载过程
    • CGLIB的字节码生成

解释器和编译器

1. 解释执行：解释执行是指jvm逐条读取并解释执行java字节码指令
   • 启动速度快：无需预编译，程序可以迅速启动
   • 执行效率低：逐条解释执行带来额外的开销，运行性能不如编译执行
   • 适用场景：适合短生命周期和启动时间要求高的应用
2. 编译执行：将java字节码预编译成本地机器码后执行
   • 执行效率高：机器代码更偏向于计算机底层，执行效率快
   • 启动时间慢：预编译过程将带来额外时间消耗
   • 适用场景：适合长时间运行，对性能要求高的应用
3. jvm工作模式：默认为混合编译方式
   • 混合模式：jvm在启动时使用解释器执行字节码，随着程序运行，通过JIT编译器监测并编译热点代码，兼顾启动速度和运行性能
   • 纯解释模式：jvm仅使用解释模式执行所有字节码，不进行任何编译，适用在调试、分析jvm行为或资源受限的环境中执行，通过参数 -Xint,强制jvm适用纯解释模式，不启动jit编译器

     java -Xint -jar your_application.jar    
   

   • 纯编译模式：jvm尝试将所有代码编译成本地机器码，不是用解释器，适用于高性能的应用，但会增加启动时间和内存开销，通过参数 -Xcomp，设置为纯编译模式

      java -Xcomp -jar your_application.jar
   

4. JIT技术：JIT编译是jvm中的核心技术，主要用于动态将字节码转换成机器码来提高程序运行效率，相比于解释执行，JIT通过将热点代码直接编译成机器码，可以避免字节码多次解析带来的性能开销
   • 工作流程
     • 识别热点代码
       • 方法调用计数：记录方法被调用的次数
       • 循环体计数：记录循环体被执行的次数
       • 当计数次数超过设置的阈值，即触发JIT编译
     • 参数
       • -XX:CompileThreshold:设置触发JIT编译的阈值（默认10000次）
       • -XX:PrintCompilation:打印JIT编译的信息
   • 编译和优化：JVM中主要有两种JIT编译器
     • C1编译器：注重编译速度，进行基础优化
     • C2编译器：注重执行效率，进行复杂优化
     • JDK11以上，引入Graal JIT,支持更高效的代码优化
   • 优化技术
     • 方法内联：讲方法调用替换为方法体，减少方法调用的开销，方法体过大时不会内联，避免增加编译时间和代码膨胀
     • 逃逸分析：前文描述过
     • 循环展开：将循环体中的多次迭代合并为一组，减少循环的次数和边界检查
     • 分支预测：在if/switch中，JIT编译器优先优化频率更高的分支
     • 常量传播：将编译器可确定的常量直接替换为具体值，减少运行是的计算

     int x=10;
     int y = x*2;  //JIT编译直接计算 y=20
     

垃圾收集

1. GC分类
   • Minor Gc：年轻代GC，触发频率高但回收速度快
   • Major GC：老年代GC，停顿时间长，触发频率低
   • Full GC：全堆GC
2. 对象回收
   • 引用计数法
     • 每个对象维护一个引用计数器，计数为0的对象可回收
     • 无法处理循环引用
   • 可达性分析（java采用可达性算法，避免循环依赖问题
     • 从一组GC Roots对象出发，不可达对象可被回收
     • GC Roots
       • 栈中引用的对象
       • 方法区中静态变量引用的对象
       • 方法区中常量引用的对象
       • 本地方法栈中引用的对象
3. 垃圾收集算法
   • 标记-清除算法
     • 过程：
       • 标记阶段：标记所有可达对象
       • 清除阶段：回收未被标记的对象
     • 缺点：清除后产生大量不连续内存碎片，可能导致大对象无法分配
   • 复制算法：
     • 过程：
       • 将对象分为两个区域
       • 每次GC将存活的对象从一个区域复制到另一个区域，并清空原区域
       • 无碎片化问题，分配速度快
     • 缺点：空间利用率低，需要两块内存区域，只有一块区域可用于对象分配
     • 应用：年轻代垃圾回收使用该算法
   • 标记-整理算法
     • 过程
       • 标记阶段：标记所有可达对象
       • 整理阶段：将存活对象移动到一端，清理剩余空间
     • 缺点：对象移动成本高
     • 应用：主要用于老年代垃圾回收
   • 分代收集算法：
     • 核心：根据对象的生命周期将堆内存分为年轻代和老年代，不同区域使用不同垃圾算法
       • 年轻代：复制算法
       • 老年代：标记整理算法
4. GC类型和触发条件
   • Minor GG
     • 回收区域：年轻代
     • 触发条件：eden区满时触发
     • 特点：频率高、回收速度快，存活对象较少
   • Major GC/Full GC
     • 回收区域：Major GC 仅回收老年代，Full GC 回收整个堆
     • 触发条件：老年代空间不足、元空间内存不足
     • 特点：停顿时间长，触发频率低但对性能影响大
5. GC 停顿
   • GC需要暂停所有应用线程以确保内存回收的安全性，这种暂停即GC停顿
   • 影响：对用户体验影响较大，特别在实时行要求高的场景（如交易系统），减少GC停顿是垃圾回收优化的核心目标之一
   • 优化策略：
     • 使用低停顿的GC回收器（G1或ZGC）
     • 调整GC参数，降低STW的频率和时长

垃圾回收流程

动态代理的JVM实现差异

JDK动态代理类加载过程

CGLIB的字节码生成

// 使用ASM框架生成字节码示例
public class ProxyGenerator {
    public byte[] generateProxyClass() {
        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        cw.visit(V1_8, ACC_PUBLIC, "ProxyClass", 
                 null, "java/lang/Object", 
                 new String[]{"TargetInterface"});
        
        // 生成方法
        MethodVisitor mv = cw.visitMethod(
            ACC_PUBLIC, "targetMethod", "()V", null, null);
        mv.visitCode();
        mv.visitVarInsn(ALOAD, 0);
        mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, 
                          "java/lang/Object", "<init>", "()V");
        mv.visitInsn(RETURN);
        mv.visitMaxs(1, 1);
        mv.visitEnd();
        
        return cw.toByteArray();
    }
}