深入解析 Java 虛擬機 HotSpot

楊 易

Java開發工程師，就職於阿里雲基礎設施部。
熱衷於研究編程語言的設計與實現，對Java語言的設計與實現有非常深入的研究，
尤其是Java的虛擬機HotSpot，在JVM的開發、調優和排錯方面積累了豐富的經驗。
此外，在編譯器領域也有較深厚的積累。
有著自由軟件精神的開發者，是GitHub中國區follower數量排名前100的開源項目維護者。
喜歡各種新鮮技術和新鮮事物，對服務端編程、逆向安全略知一二。

前　　言
第1章　Java大觀園 1
1.1　OpenJDK 1
1.2　JEP 2
1.3　Java虛擬機 4
1.4　HotSpot VM 5
1.4.1　源碼模塊 7
1.4.2　構建和調試 7
1.4.3　回歸測試 12
1.5　Graal VM 14
1.6　本章小結 16

第2章　類可用機制 17
2.1　類的加載 17
2.1.1　字節碼 17
2.1.2　類加載器 19
2.1.3　文件解析 21
2.2　類的鏈接 23
2.2.1　字節碼驗證 24
2.2.2　字節碼重寫 24
2.2.3　方法鏈接 26
2.3　類的初始化 32
2.4　類的重定義 35
2.5　本章小結 36

第3章　對象和類 38
3.1　對象與類 38
3.2　對象 39
3.2.1　創建對象 39
3.2.2　對象頭 41
3.2.3　對象哈希值 43
3.3　類 44
3.3.1　字段遍歷 45
3.3.2　虛表 46
3.4　本章小結 48

第4章　運行時 49
4.1　線程創生紀 49
4.1.1　容器化支持 51
4.1.2　Java線程 52
4.1.3　虛擬機線程 54
4.1.4　編譯器線程 57
4.1.5　服務線程 58
4.1.6　計時器線程 58
4.2　Java線程 58
4.2.1　線程啟動 60
4.2.2　線程停止 61
4.2.3　睡眠與中斷 63
4.3　棧幀 66
4.4　Java/JVM溝通 68
4.4.1　JNI 69
4.4.2　JavaCalls 72
4.5　Unsafe類 74
4.5.1　堆外內存 75
4.5.2　內存屏障 75
4.5.3　阻塞和喚醒 76
4.5.4　對象數據修改 76
4.6　本章小結 77

第5章　模板解釋器 78
5.1　解釋器體系 78
5.1.1　C++解釋器行為 78
5.1.2　模板解釋器行為 79
5.2　機器代碼片段 81
5.3　CodeCache 82
5.4　指令緩存刷新 84
5.5　解釋器生成 86
5.5.1　普通方法入口 86
5.5.2　方法加鎖 89
5.5.3　本地方法入口 90
5.5.4　標準字節碼 91
5.5.5　非標準字節碼 106
5.6　本章小結 107

第6章　並發設施 108
6.1　指令重排序 108
6.1.1　編譯器重排序 109
6.1.2　處理器重排序 110
6.2　內存模型 112
6.2.1　happens-before內存模型 113
6.2.2　Java內存模型 114
6.3　基礎設施 116
6.3.1　原子操作 116
6.3.2　ParkEvent 116
6.3.3　Parker 118
6.3.4　Monitor 120
6.4　鎖優化 126
6.4.1　偏向鎖 127
6.4.2　基本對象鎖 128
6.4.3　重量級鎖 128
6.4.4　RTM鎖 131
6.5　本章小結 132

第7章　編譯概述 133
7.1　編譯器簡介 133
7.1.1　運行時代碼生成 134
7.1.2　JIT編譯器 135
7.1.3　AOT編譯器 136
7.1.4　JVMCI JIT編譯器 136
7.2　即時編譯技術 137
7.2.1　分層編譯 137
7.2.2　棧上替換 138
7.2.3　退優化 139
7.3　編譯理論基礎 139
7.3.1　中間表示 139
7.3.2　基本塊與控制流圖 140
7.3.3　靜態單賦值 142
7.3.4　規範化 142
7.3.5　值編號 143
7.3.6　自頂向下重寫系統 144
7.3.7　循環不變代碼外提概述 144
7.4　調試方法 145
7.4.1　編譯日誌 145
7.4.2　編譯神諭 146
7.4.3　可視化工具 146
7.5　本章小結 149

第8章　C1編譯器 150
8.1　編譯流程 150
8.1.1　進入C1 150
8.1.2　高級中間表示 152
8.1.3　低級中間表示 153
8.2　從字節碼到HIR 155
8.2.1　識別基本塊 155
8.2.2　抽象解釋 156
8.3　HIR代碼優化 158
8.3.1　規範化 158
8.3.2　內聯 159
8.3.3　基本塊優化 160
8.3.4　值編號 160
8.3.5　數組範圍檢查 162
8.3.6　循環不變代碼外提 162
8.4　從HIR到LIR 164
8.4.1　return生成 165
8.4.2　new生成 165
8.4.3　goto生成 166
8.4.4　線性掃描寄存器分配 167
8.5　本章小結 171

第9章　C2編譯器 172
9.1　編譯流程 172
9.1.1　進入C2 172
9.1.2　理想圖 174
9.1.3　理想圖流程概述 180
9.1.4　C2代碼優化 183
9.1.5　代碼生成流程 185
9.1.6　設置機器代碼 186
9.2　構造理想圖 187
9.2.1　構造示例 187
9.2.2　Identity、Ideal、GVN 191
9.3　機器無關優化 193
9.3.1　IGVN 193
9.3.2　逃逸分析 194
9.3.3　向量化 197
9.4　代碼生成 199
9.4.1　指令選擇 199
9.4.2　圖著色寄存器分配 200
9.5　本章小結 203

第10章　垃圾回收 204
10.1　垃圾回收基礎概述 204
10.1.1　GC Root 205
10.1.2　安全點 206
10.1.3　線程局部握手 208
10.1.4　GC屏障 209
10.2　Epsilon GC 209
10.2.1　源碼結構 209
10.2.2　EpsilonHeap 210
10.2.3　對象分配 211
10.2.4　回收垃圾 212
10.3　Serial GC 212
10.3.1　弱分代假說 212
10.3.2　卡表 213
10.3.3　Young GC 214
10.3.4　Full GC 218
10.3.5　世界停頓 221
10.4　Parallel GC 221
10.4.1　多線程垃圾回收 221
10.4.2　GC任務管理器 223
10.4.3　並行與並發 226
10.5　CMS GC 227
10.5.1　回收策略 227
10.5.2　對象丟失問題 228
10.5.3　Old GC周期 229
10.5.4　並發模式失敗 234
10.5.5　堆碎片化 235
10.6　G1 GC 235
10.6.1　簡介 235
10.6.2　混合回收 236
10.7　Shenandoah GC 237
10.8　ZGC 239
10.9　本章小結 241

第11章　G1 GC 242
11.1　G1 GC簡介 242
11.1.1　基於Region的堆 242
11.1.2　記憶集RSet 243
11.1.3　停頓預測模型 244
11.2　Young GC 245
11.2.1　選擇CSet 245
11.2.2　清理根集 246
11.2.3　處理RSet 247
11.2.4　對象復制 247
11.3　Mixed GC 248
11.3.1　SATB 249
11.3.2　全局並發標記 251
11.3.3　對象復制 254
11.4　Full GC 254
11.5　字符串去重 255
11.6　本章小結 257