HotSpot实战

“蚓无爪牙之利，筋骨之强，上食埃土，下饮黄泉，用心一也。蟹六跪而二螯，非蛇蟮之穴无可寄托者，用心躁也”。对于技术人员来说，如果长期忽略自身技术的根基而去一昧地追求高层框架技术，这无疑是舍本求末的做法。
相较于C或C++程序员，我发现Java程序员更容易忽视基础技术。JVM的出现，为程序员屏蔽了操作系统与硬件的细节，使得程序员从诸如内存管理这样的繁琐任务中解放出来。但这不并等同于允许Java程序员放弃对基础的重视。我们是否有过这样的经历，在遇到内存故障、丢包、网络协议设计、资源瓶颈、证书、二进制等问题时，往往会觉得比较棘手，在寻求解决思路时更是显得力不从心。这实质上是自身技术遇到了瓶颈难以突破所致。可怕的是，想去深究的时候却无从下手。
我写这本书的初衷是为了唤起Java程序员对于基础技术的重视。事实上，任何平台的程序员都应当了解平台的基本特性、实现机制以及接口，这是提高自身修养的必经之路。对于Java程序员来说，我们需要了解的平台就是JVM。了解JVM的基本实现机制，不仅对于解决实际应用中诸如GC等虚拟机问题时有直接帮助，还有利于我们更好地理解语言本身。
所幸的是，Oracle官方已经将虚拟机项目的源码开放出来，这对于我们来说简直就是福音。本书将以OpenJDK和HotSpot为素材，深入浅出地讲解我们最为熟悉的一款虚拟机产品的实现。除了Java程序员，从事与Java或JVM相关的开发、测试、运维等技术人员也将在《HotSpot实战》中获益。

陈涛，硕士，毕业于中国科技大学。现就职于网易公司旗下的网易宝，从事在线支付系统的设计与开发工作。在从事Java工作之前 ，曾有过Linux内核及驱动开发工作经验。热衷于专研技术，对编程语言和JVM比较感兴趣。工作之余 ，喜欢足球和武侠带来的乐趣。目前正在“专研”的课题是如何做一名称职的奶爸。

陈涛是网易宝的核心开发人员之一，同时维护了网易宝的多个系统。网易宝是网易官方的在线支付系统，对开发工程师的技术要求极高。他喜欢专研技术，知识面宽，不仅对Java、C、C++熟悉，对操作系统底层也很熟悉，能够将理论很好地应用于实践中。本书便是他潜心研究和实践的成果。
——赵刚，网易宝系统负责人，资深技术专家

陈涛在Java开发领域知识的深度和广度给我留下了深刻的印象。本书深入浅出地介绍了JVM技术，强调实践应用。对于想深入研究JVM并希望快速取得进展的开发人员来说，本书非常具有实用价值，是Java开发水平更上一层楼的阶石。
——陈双辉，现任通策集团信息事业部CTO，曾在摩托罗拉移动担任Senior PM。

第1章初识HotSpot1
1．1JDK概述2
1．1．1JCP与JSR3
1．1．2JDK的发展历程4
1．1．3Java 7的语法变化7
1．2动手编译虚拟机13
1．2．1源代码下载13
1．2．2HotSpot源代码结构13
1．2．3搭建编译环境15
1．2．4编译目标16
1．2．5编译过程17
1．2．6编译常见问题19
1．3实战：在HotSpot内调试HelloWorld20
1．3．1认识GDB21
1．3．2准备调试脚本22
1．4小结26

第2章启动28
2．1HotSpot内核28
2．1．1如何阅读源代码28
2．1．2HotSpot内核框架36
2．1．3Prims37
2．1．4Services39
2．1．5Runtime43
2．2启动46
2．2．1Launcher46
2．2．2虚拟机生命周期48
2．2．3入口：main函数50
2．2．4主线程51
2．2．5InitializeJVM函数53
2．2．6JNI_CreateJavaVM函数55
2．2．7调用Java主方法56
2．2．8JVM退出路径 56
2．3系统初始化57
2．3．1配置OS模块58
2．3．2配置系统属性60
2．3．3加载系统库61
2．3．4启动线程62
2．3．5vm_init_globals函数：初始化全局数据结构65
2．3．6init_globals函数：初始化全局模块65
2．4小结69

第3章类与对象70
3．1对象表示机制71
3．1．1OOP-Klass二分模型71
3．1．2Oops模块71
3．1．3OOP框架与对象访问机制73
3．1．4Klass与instanceKlass79
3．1．5实战：用HSDB调试HotSpot82
3．2类的状态转换87
3．2．1入口：Class文件87
3．2．2类的状态92
3．2．3加载96
3．2．4链接101
3．2．5初始化104
3．2．6实战：类的“族谱”107
3．2．7实战：系统字典111
3．3创建对象113
3．3．1实例对象的创建流程114
3．3．2实战：探测JVM内部对象116
3．4小结119

第4章运行时数据区120
4．1堆121
4．1．1Java的自动内存管理121
4．1．2堆的管理122
4．2线程私有区域125
4．2．1PC125
4．2．2JVM栈126
4．3方法区126
4．3．1纽带作用127
4．3．2常量池130
4．3．3常量池缓存：ConstantPoolCache133
4．3．4方法的表示：methodOop134
4．3．5方法的解析：将符号引用转换成直接引用138
4．3．6代码放在哪里：ConstMethodOop141
4．3．7实战：探测运行时常量池142
4．4性能监控数据区：Perf Data147
4．4．1描述这段空间：PerfMemory147
4．4．2查看148
4．4．3生产150
4．5转储151
4．5．1用VisualVM进行转储分析151
4．5．2JVM Crash153
4．6小结158

第5章垃圾收集159
5．1堆与GC160
5．1．1垃圾收集160
5．1．2分代收集162
5．1．3快速分配165
5．1．4栈上分配和逸出分析167
5．1．5GC公共模块167
5．2垃圾收集器170
5．2．1设计演进170
5．2．2CMS收集器175
5．2．3G1收集器180
5．3实战：性能分析方法184
5．3．1获取GC日志184
5．3．2GC监控信息187
5．3．3内存分析工具189
5．3．4选择合适的收集器与GC性能评估190
5．3．5不要忽略JVM Crash日志195
5．4小结196

第6章栈197
6．1硬件背景：了解真实机器198
6．1．1程序是如何运行的198
6．1．2x86与栈帧199
6．1．3ARM对Java硬件级加速：Jazelle技术202
6．2Java栈203
6．2．1寄存器式指令集与栈式指令集203
6．2．2HotSpot中的栈204
6．2．3栈帧207
6．2．4充分利用寄存器资源210
6．2．5虚拟机如何调用Java函数212
6．2．6优化：栈顶缓存221
6．2．7实战：操作数栈223
6．3小结228

第7章解释器和即时编译器229
7．1概述230
7．2解释器如何工作231
7．2．1Interpreter模块232
7．2．2Code模块234
7．2．3字节码表235
7．2．4Code Cache236
7．2．5InterpreterCodelet与Stub队列239
7．2．6Code生成器241
7．2．7模板表与转发表244
7．2．8实战：InterpreterCodelet247
7．3即时编译器250
7．3．1概述250
7．3．2编译器模块251
7．3．3编译器的基本结构252
7．3．4实战：编译原理实践，了解编译中间环节255
7．4小结267

第8章指令集268
8．1再说栈式指令集268
8．2数据传送270
8．2．1局部变量、常量池和操作数栈之间的数据传送270
8．2．2数据传送指令272
8．2．3实战：数组的越界检查277
8．3类型转换279
8．4对象的创建和操作281
8．5程序流程控制282
8．5．1控制转移指令282
8．5．2条件转移283
8．5．3无条件转移284
8．5．4复合条件转移285
8．5．5实战：switch语句如何使用String287
8．6运算290
8．6．1加法：iadd290
8．6．2取负：ineg291
8．7函数的调用和返回292
8．7．1Java函数分发机制：VTABLE与ITABLE293
8．7．2invoke系列指令297
8．7．3动态分发：覆盖299
8．7．4静态分发：重载302
8．8异常305
8．8．1异常表305
8．8．2创建异常306
8．8．3try-catch309
8．8．4finally311
8．9小结312

第9章虚拟机监控工具313
9．1Attach机制314
9．1．1AttachProvider与VirtualMachine314
9．1．2命令的下发：execute()317
9．1．3命令的执行：Attach Listener守护线程319
9．2查看JVM进程320
9．2．1用jps查看Java进程320
9．2．2实战：定制jps，允许查看库路径323
9．3查看和配置JVM326
9．3．1用jinfo查看JVM参数配置326
9．3．2实战：扩展flags选项，允许查看命令行参数330
9．4堆内存转储工具332
9．4．1Heap Dump332
9．4．2原理333
9．5堆转储分析337
9．5．1Heap Dump分析工具：jhat337
9．5．2实战：MAT分析过程340
9．6线程转储分析343
9．6．1jstack343
9．6．2实战：如何分析资源等待344
9．7小结347