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JVM执行

2015年08月02日

前言

class字节码的执行——虚拟机

翻译就“查表”,每一个字节码对应一个c函数或者机器码序列。

class字节码 ==> c/c++ ==> 机器码

使用C程序,将字节码的每一条指令,都逐行逐行地解释成C程序。当执行字节码的程序——JVM(Java虚拟机)程序本身被编译后,字节码指令所对应的C程序被一起编译成本地机器码,于是虚拟机在解释字节码指令时,自然就会执行对应的C程序(对应的本地机器码)。

int run(int code,int a ,int b){
    if (code == 0x01){
        return a + b;
    }
    return -1;
}

上面这个只能解释iadd=0x01字节码的解释器,第一代jvm就是这么干的

// HOTSPOT/src/share/vm/intercepter/bytecodeintercepter.cpp
BytecodeInterpreter::run(interpreterState istate){
    ...
    switch (opcode){
    ...
    CASE(_istore):
    CASE(_fstore):
        // 实际上便是C++代码
        SET_LOCALS_SLOT(STACK_SLOT(-1), pc[1]);
        UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(2, -1);
    ...
    }
    ...
}

Java 并发——基石篇(中)Java 程序编译之后,会产生很多字节码指令,每一个字节码指令在 JVM 底层执行的时候又会变成一堆 C 代码,这一堆 C 代码在编译之后又会变成很多的机器指令,这样一来,我们的 java 代码最终到机器指令一层,所产生的机器指令将是指数级的,因此就导致了 Java 执行效率非常低下。

C 支持动态执行 机器码

char* 可以认为是一个字符串的开始地址,也可以理解为一个二维字符数组的首地址。C语言在编译时,C函数将被直接编译为机器指令,而这个函数指针将直接指向这段机器指令的首地址。于是可以打一个插边球,在源码编译阶段就定义好一段机器指令,然后直接将一个C函数指针指向这段机器指令的首地址。从而间接实现C语言直接调用机器指令的目的。

/*
 * 机器码,对应下面函数的功能:
 * int foo(int a){
 *     return a + 2;
 * }
 */
uint8_t machine_code[] = {
        0x55, 0x48, 0x89, 0xe5,
        0x8d, 0x47, 0x02, 0x5d, 0xc3
};
/*
 * 执行动态生成的机器码。
 */
int main(int argc, char **argv) {
    //分配一块内存,设置权限为读和写
    void *mem = mmap(NULL, sizeof(machine_code), PROT_READ | PROT_WRITE,
                     MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);
    if (mem == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }
    //把机器码写到刚才的内存中
    memcpy(mem, machine_code, sizeof(machine_code));
    //把这块内存的权限改为读和执行
    if (mprotect(mem, sizeof(machine_code), PROT_READ | PROT_EXEC) == -1) {
        perror("mprotect");
        return 2;
    }
    //用一个函数指针指向这块内存,并执行它
    int32_t(*fn)(int32_t) = (int32_t(*)(int32_t)) mem;
    int32_t result = fn(1);
    printf("result = %d\n", result);
    //释放这块内存
    if (munmap(mem, sizeof(machine_code)) == -1) {
        perror("munmap");
        return 3;
    }
    return 0;
}

class字节码 ==> 机器码

怎么优化这个问题呢?字节码是肯定不能动的,因为 JVM 的一处编写,到处运行的梦想就是靠它完成的。其实,我们会发现,问题的根本就在于 Java 和机器指令之间隔了一层 C/C++,而例如 GCC 之类的编译器又不能做到绝对的智能编译,所产生的机器码效率仍然不是非常高。因此,我们会想,能不能跳过 C/C++ 这个层次能,直接将 java 字节码和本地机器码进行一个对应呢?是的!可以的!HotSpot 工程师们早就想到了,因此早期的解释执行器很快就被废弃了,转而采用模版执行器。什么是模版执行器,顾名思义,模版就是将每一个 java 字节码通过「人工手动」的方式编写为固定模式的机器指令,执行字节码时直接跳转到对应的一串机器码执行。

本地编译

对于C

int add(int a,int b){
    return a+b;
}
// 本地编译后的机器码
push1 %ebp
    movl%esp %ebp
    movl12(%ebp) %eax
    movl8(%ebp) %edx
    addl%edx %eax
    popl%ebp
    ret

对于 java

Class A{
    int add(int a,int b){
        return a+b;
    }
}
// 本地编译后的字节码, 每一个字节码都会对应一大堆机器指令
iload_1
iload_2
iadd
ireturn

中间语言由于其本身不能直接被CPU执行,为了能够被CPU执行,中间语言在完成同样一个功能时,需要准备更多便于自我管理的上下文环境,最后才能执行目标机器指令。准备上下文环境最终也是依靠机器码去实现,因此中间语言最终便生成了更多机器码,当然执行效率就降低了。

基于栈的虚拟机

虚拟机的设计有两种技术:一是基于栈的虚拟机;二是基于寄存器的虚拟机。java是一种跨平台的编程语言,为了跨平台,jvm抽象出了一套内存模型和基于栈的解释器,进而创建一套在该模型基础上运行的字节码指令。为了跨平台,不能假定平台特性,因此抽象出一个新的层次来屏蔽平台特性,因此推出了基于栈的解释器,与以往基于寄存器的cpu执行有所区别。

Virtual Machine Showdown: Stack Versus Registers

虚拟机随谈(一):解释器,树遍历解释器,基于栈与基于寄存器,大杂烩

public class MyClass {
    public int foo(int a){
        return a + 3;
    }
}

翻译后的部分字节码

public int foo(int);
  Code:
     0: iload_1     //把下标为1的本地变量入栈
     1: iconst_3    //把常数3入栈
     2: iadd        //执行加法操作
     3: ireturn     //返回
  基于栈的虚拟机 基于寄存器的虚拟机
操作数 指令的操作数是由栈确定的,我们不需要为每个操作数显式地指定存储位置 基于寄存器的虚拟机的运行机制跟机器码的运行机制是差不多的,它的指令要显式地指出操作数的位置(寄存器或内存地址)
优点 指令可以比较短,指令生成也比较容易 可以更充分地利用寄存器来保存中间值,从而可以进行更多的优化
典型代表 jvm Google 公司为 Android 开发的 Dalvik 虚拟机和 Lua 语言的虚拟机

栈机并不是不用寄存器,实际上,操作数栈是可以基于寄存器实现的,寄存器放不下的再溢出到内存里。只不过栈机的每条指令,只能操作栈顶部的几个操作数,所以也就没有办法访问其它寄存器,实现更多的优化。

虚拟机的一个通用优势:栈/寄存器 可以每个线程一份,一直存在内存中。对于传统cpu执行,线程之间共用的寄存器,在线程切换时,借助了pcb(进程控制块或线程控制块,存储在线程数据所在内存页中),pcb保存了现场环境,比如寄存器数据。轮到某个线程执行时,恢复现场环境,为寄存器赋上pcb对应的值,cpu按照pc指向的指令的执行。而在jvm体系中,每个线程的栈空间是私有的,栈一直在内存中(无论其对应的线程是否正在执行),轮到某个线程执行时,线程对应的栈(确切的说是栈顶的栈帧)成为“当前栈”(无需重新初始化),执行pc指向的方法区中的指令。

jvm 指令

  1. 硬件执行逻辑运算的主战场是寄存器,不管把数据放在代码段、数据段(都是内存),最终cpu都会把数据传到寄存器中(cpu不支持直接从内存某个位置移到另一个位置)。 jvm 执行逻辑运算的主战场是操作数栈,不管数据在堆栈、常量池、方法区、局部变量表等(都对应一些字节码指令喔),最终jvm都会将数据送到操作数栈中。
  2. x86中主要使用call 和ret 来保存和恢复现场,这往往会伴随着cpu 物理机寄存器的入栈和出栈。jvm 没有物理机寄存器,所以用操作数栈和pc 寄存器来代替。jvm 保存和恢复现场的解决方案是向java 堆栈中压入/弹出一个栈帧。jvm 调用函数的时候(invokevirtual/invokeinterface/invokespecial/invokestatic)不能像cpu 一样直接跳到指定的代码段。因为java 函数的代码并没有被存到代码段中而是code 缓存中。每一个java 函数在code缓存中都有一个索引位,最终jvm 会跳转到这个索引位执行java 函数调用。java 函数一定被封装在类中,因此jvm 执行函数调用时,还需要通过类寻址等等一系列运算,才能定位到这个入口。
  3. 对象创建和类型转换指令。语法层面的new 对应字节码指令new

如何进行方法调用

《jvm设计原理与实现》

  1. jvm 不参与java 程序的编译,只管运行,所以无法像C 一样在编译时确定每一个函数堆栈的空间大小。jvm 在传递jvm 函数参数时,传递的只不过是指针,因此在为java函数计算入参所需要的堆栈空间时,只需要入参的数量即可。
  2. 一个java 函数对应若干条字节码指令,一条jvm 字节码可以转换为若干条机器指令。物理机器能够自动取指,但无法对jvm字节码自动取指,因此对jvm 字节码的取指需要由jvm 自己去实现。

重排序

为什么会出现重排序

CPU 的指令执行

重排序的影响

主要体现在两个方面,详见Java内存访问重排序的研究

  1. 对代码执行的影响

    常见的是,一段未经保护的代码,因为多线程的影响可能会乱序输出。少见的是,重排序也会导致乱序输出。

  2. 对编译器、runtime的影响,这体现在两个方面:

    1. 运行期的重排序是完全不可控的,jvm经过封装,要保证某些场景不可重排序(比如数据依赖场景下)。提炼成理论就是:happens-before规则(参见《Java并发编程实践》章节16.1),Happens-before的前后两个操作不会被重排序且后者对前者的内存可见。
    2. 提供一些关键字(主要是加锁、解锁),也就是允许用户介入某段代码是否可以重排序。这也是“which are intended to help the programmer describe a program’s concurrency requirements to the compiler” 的部分含义所在。

Java内存访问重排序的研究文中提到,内存可见性问题也可以视为重排序的一种。比如,在时刻a,cpu将数据写入到memory bank,在时刻b,同步到内存。cpu认为指令在时刻a执行完毕,我们呢,则认为代码在时刻b执行完毕。