轻松学JVM

轻松学JVM（一）——基本原理

前言

JVM一直是java知识里面进阶阶段的重要部分，如果希望在java领域研究的更深入，则JVM则是如论如何也避开不了的话题，本系列试图通过简洁易读的方式，讲解JVM必要的知识点。

运行流程

我们都知道java一直宣传的口号是：一次编译，到处运行。那么它如何实现的呢？我们看下图：

java程序经过一次编译之后，将java代码编译为字节码也就是class文件，然后在不同的操作系统上依靠不同的java虚拟机进行解释，最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行。这样我们是不是可以推演，如果要在mac系统上运行，是不是只需要安装mac java虚拟机就行了。那么了解了这个基本原理后，我们尝试去做更深的研究，一个普通的java程序它的执行流程到底是怎样的呢？例如我们写了一段这样的代码：

public class HelloWorld {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.print("Hello world");
	}
}

这段程序从编译到运行，最终打印出“Hello world”中间经过了哪些步骤呢？我们直接上图：

java代码通过编译之后生成字节码文件（class文件），通过：java HelloWorld执行，此时java根据系统版本找到jvm.cfg，各位可以搜索一下自己电脑上的jvm.cfg文件在哪，它会根据你的系统版本放在不同的位置，比如我的这个文件就在：C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\jre\lib\amd64\jvm.cfg，打开看一下：

这是我电脑上的文件，其中-server KNOWN就表示名称为server的jvm可用。如果这时你搜索一下你电脑上jvm.dll，你就会发现它一定在你的某个server目录下，比如我的：C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\jre\bin\server\jvm.dll。简而言之就是通过jvm.cfg文件找到对应的jvm.dll，jvm.dll则是java虚拟机的主要实现。接下来会初始化JVM,并且获取JNI接口，什么是JNI接口，就是java本地接口，你想啊java被编译成了class文件，JVM怎么从硬盘上找到这个文件并装载到JVM里呢，就是通过JNI接口（它还常用于java与操作系统、硬件交互），找到class文件后并装载进JVM，然后找到main方法，最后执行。

JVM基本结构

可能通过上面的描述，大家对JVM运行流程有了一个粗略的认识，那么JVM内部到底是怎么执行一个class文件的呢，也就是上图中最后一步第6步的内部细节是怎样的呢？要了解这个问题，我们首先得看一下JVM的内部结构：

从这个结构不难看出，class文件被jvm装载以后，经过jvm的内存空间调配，最终是由执行引擎完成class文件的执行。当然这个过程还有其他角色模块的协助，这些模块协同配合才能让一个java程序成功的运行，下面就详细介绍这些模板，它们也是后面学习jvm最重要的部分。

内存空间：

JVM内存空间包含：方法区、java堆、java栈、本地方法栈。

方法区是各个线程共享的区域，存放类信息、常量、静态变量。

java堆也是线程共享的区域，我们的类的实例就放在这个区域，可以想象你的一个系统会产生很多实例，因此java堆的空间也是最大的。如果java堆空间不足了，程序会抛出OutOfMemoryError异常。

java栈是每个线程私有的区域，它的生命周期与线程相同，一个线程对应一个java栈，每执行一个方法就会往栈中压入一个元素，这个元素叫“栈帧”，而栈帧中包括了方法中的局部变量、用于存放中间状态值的操作栈，这里面有很多细节，我们以后再讲。如果java栈空间不足了，程序会抛出StackOverflowError异常，想一想什么情况下会容易产生这个错误，对，递归，递归如果深度很深，就会执行大量的方法，方法越多java栈的占用空间越大。

本地方法栈角色和java栈类似，只不过它是用来表示执行本地方法的，本地方法栈存放的方法调用本地方法接口，最终调用本地方法库，实现与操作系统、硬件交互的目的。

PC寄存器，说到这里我们的类已经加载了，实例对象、方法、静态变量都去了自己改去的地方，那么问题来了，程序该怎么执行，哪个方法先执行，哪个方法后执行，这些指令执行的顺序就是PC寄存器在管，它的作用就是控制程序指令的执行顺序。

执行引擎当然就是根据PC寄存器调配的指令顺序，依次执行程序指令。

结语

本文主要介绍了java虚拟机运行的基本流程，以及java虚拟机内部结构。下一篇我们将学习java内存模型以及探索java变量的可见性、有序性、指令重排等问题.

轻松学JVM（二）——内存模型、可见性、指令重排序

上一篇我们介绍了JVM的基本运行流程以及内存结构，对JVM有了初步的认识，这篇文章我们将根据JVM的内存模型探索java当中变量的可见性以及不同的java指令在并发时可能发生的指令重排序的情况。

内存模型

首先我们思考一下一个java线程要向另外一个线程进行通信，应该怎么做，我们再把需求明确一点，一个java线程对一个变量的更新怎么通知到另外一个线程呢？我们知道java当中的实例对象、数组元素都放在java堆中，java堆是线程共享的。（我们这里把java堆称为主内存），而每一个线程都是自己私有的内存空间（称为工作内存），如果线程1要向线程2通信，一定会经过类似的流程：

1、 线程1将自己工作内存中的X更新为1并刷新到主内存中；

2、 线程2从主内存读取变量X=1，更新到自己的工作内存中，从而线程2读取的X就是线程1更新后的值。

从上面的流程看出线程之间的通信都需要经过主内存，而主内存与工作内存的交互，则需要Java内存模型（JMM）来管理器。下图演示了JMM如何管理主内存和工作内存：

当线程1需要将一个更新后的变量值刷新到主内存中时，需要经过两个步骤：

1、 工作内存执行store操作；

2、 主内存执行write操作；

完成这两步即可将工作内存中的变量值刷新到主内存，即线程1工作内存和主内存的变量值保持一致；

当线程2需要从主内存中读取变量的最新值时，同样需要经过两个步骤：

1、主内存执行read操作，将变量值从主内存中读取出来；

2、工作内存执行load操作，将读取出来的变量值更新到本地内存的副本；

完成这两步，线程2的变量和主内存的变量值就保持一致了。

可见性

Java中有一个关键字volatile，它有什么用呢？这个答案其实就在上述java线程间通信机制中，我们想象一下，由于工作内存这个中间层的出现，线程1和线程2必然存在延迟的问题，例如线程1在工作内存中更新了变量，但还没刷新到主内存，而此时线程2获取到的变量值就是未更新的变量值，又或者线程1成功将变量更新到主内存，但线程2依然使用自己工作内存中的变量值，同样会出问题。不管出现哪种情况都可能导致线程间的通信不能达到预期的目的。例如以下例子：

//线程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //线程2

stop 

= true;

这个经典的例子表示线程2通过修改stop的值，控制线程1中断，但在真实环境中可能会出现意想不到的结果，线程2在执行之后，线程1并没有立刻中断甚至一直不会中断。出现这种现象的原因就是线程2对线程1的变量更新无法第一时间获取到。

但这一切等到Volatile出现后，再也不是问题，Volatile保证两件事：

1、 线程1工作内存中的变量更新会强制立即写入到主内存；

2、 线程2工作内存中的变量会强制立即失效，这使得线程2必须去主内存中获取最新的变量值。

所以这就理解了Volatile保证了变量的可见性，因为线程1对变量的修改能第一时间让线程2可见。

指令重排序

关于指令排序我们先看一段代码：

int a = 0;
boolean flag = false;

//线程1

public void writer() {

a = 1;

flag = true;

}

//线程2

public void reader() {

if (flag) {

int i= a+1;

...... }

}

线程1依次执行a=1,flag=true；线程2判断到flag==true后，设置i=a+1，根据代码语义，我们可能会推断此时i的值等于2，因为线程2在判断flag==true时，线程1已经执行了a=1；所以i的值等于a+1=1+1=2；但真实情况却不一定如此，引起这个问题的原因是线程1内部的两条语句a=1；flag=true；可能被重新排序执行，如图：

这就是指令重排序的简单演示，两个赋值语句尽管他们的代码顺序是一前一后，但真正执行时却不一定按照代码顺序执行。你可能会说，有这个指令重排序那不是乱套了吗？我写的程序都不按我的代码流程走，这怎么玩？这个你可以放心，你的程序不会乱套，因为java和CPU、内存之间都有一套严格的指令重排序规则，哪些可以重排，哪些不能重排都有规矩的。下列流程演示了一个java程序从编译到执行会经历哪些重排序：

在这个流程中第一步属于编译器重排查，编译器重排序会按JMM的规范严格进行，换言之编译器重排序一般不会对程序的正确逻辑造成影响。第二、三步属于处理器重排序，处理器重排序JMM就不好管了，怎么办呢？它会要求java编译器在生成指令时加入内存屏障，内存屏障是什么？你可以理解为一个不透风的保护罩，把不能重排序的java指令保护起来，那么处理器在遇到内存屏障保护的指令时就不会对它进行重排序了。关于在哪些地方该加入内存屏障，内存屏障有哪些种类，各有什么作用，这些知识点这里就不再阐述了。可以参考JVM规范相关资料。

下面介绍一下在同一个线程中，不会被重排序的逻辑：

这三种情况中，任意改变一个代码的顺序，结果都会大不相同，对于这样的逻辑代码，是不会被重排序的。注意这是指单线程中不会被重排序，如果在多线程环境下，还是会产生逻辑问题，例如我们一开始举的例子。

结语

本文简单介绍了java在实现线程间通信时的简单原理，并介绍了volatile关键字的作用，最后介绍了java当中可能会出现指令重排序的情况。下一篇将介绍JVM中的参数设置对java程序的影响。

参考资料：

《实战Java虚拟机》 葛一鸣

《深入理解Java虚拟机（第2版）》 周志明

《深入理解Java内存模型》 程晓明