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EffectTang
2025-03-23
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JVM的作用跟字节码

# JVM的作用跟字节码

# JVM是什么

JVM，全称为Java虚拟机（Java Virtual Machine），是运行Java应用程序的核心组件。它是实现Java“编写一次，到处运行”理念的关键技术之一。JVM并不是直接在操作系统上执行Java源代码，而是执行由Java编译器生成的字节码（Bytecode）。这些字节码是一种中间表示形式，可以在任何实现了JVM的平台上运行。

更简单的说，Java虚拟机（JVM）就是负责将Java程序编译后的字节码转换成特定于平台的机器语言，以便计算机系统能够执行这些指令。

大家常说，“JVM 调优” 或者 “JVM 性能优化”。调的究竟是程序还是JVM呢？具体需要从哪儿入手，怎么去做呢？在看后续内容时，希望你能带着这些问题，这样印象会更加深刻。

先回答第一个问题，调的是，JVM本身。

JVM调优主要针对的是JVM本身的配置，而程序调优是针对代码逻辑。但两者共同影响应用性能，因此在实际操作中可能需要综合考虑。例如，即使调整了JVM参数，如果程序存在内存泄漏，效果可能有限，这时候需要先修复程序问题，再调整JVM参数。

# 调优的作用

其实“调优”是一个诊断和处理手段，我们最终的目标是让系统的处理能力，也就是**“性能”达到最优化**，这个过程我们就像是一个医生，诊断和治疗“应用系统”这位病人。

我们以作为医生给系统看病作为对比，“性能优化”就是实现“把身体的大小毛病治好，身体达到最佳健康状态”的目标。

那么去医院看病，医生会是怎么一个处理流程呢？先简单的询问和了解基本情况，发烧了没有，咳嗽几天了，最近吃了什么，有没有拉肚子一类的，然后给患者开了一系列的检查化验单子：去查个血、拍个胸透、验个尿之类的。然后就会有医生使用各项仪器工具，依次把去做这些项目的检查，检查的结果就是很多标准化的具体指标（这里就是我们对 JVM 进行信息收集，变成各项指标）。

然后拿过来给医生诊断用，医生根据这些指标数据判断哪些是异常的，哪些是正常的，这些异常指标说明了什么问题（对系统问题进行分析排查），比如是白细胞增多，说明可能有炎症（比如 JVM 配置不合理）。

最后要“对症下药”，重写编写某部分代码，或者重新设置JVM参数。

那 系统该如何衡量参数呢？或者说衡量哪些参数？

# 系统性能参数

一般衡量系统性能的维度有 3 个:

  • 延迟——RT

延迟(Latency)： 一般衡量的是响应时间(Response Time)，比如平均响应时间。但是有时候响应时间抖动的特别厉害，也就是说有部分用户的响应时间特别高，这时我们一般假设我们要保障 95% 的用户在可接受的范围内响应，从而提供绝大多数用户具有良好的用户体验，这就是延迟的95线（P95，平均 100 个用户请求中 95 个已经响应的时间），同理还有99线，最大响应时间等（95 线和 99 线比较常用；用户访问量大的时候，对网络有任何抖动都可能会导致最大响应时间变得非常大，最大响应时间这个指标不可控，一般不用）。

  • 吞吐量——TPS、QPS

吞吐量(Throughput)： 一般对于交易类的系统我们使用每秒处理的事务数(TPS)来衡量吞吐能力，对于查询搜索类的系统我们也可以使用每秒处理的请求数（QPS）。

  • 系统容量——Ca

系统容量(Capacity)： 也叫做设计容量，可以理解为硬件配置，成本约束。

最后还有一点请记住，“脱离场景谈性能都是耍流氓”。

实际的性能分析调优过程中，我们需要根据具体的业务场景，综合考虑成本和性能，使用最合适的办法去处理。系统的性能优化到 3000TPS 如果已经可以在成本可以承受的范围内满足业务发展的需求，那么再花几个人月优化到 3100TPS 就没有什么意义，同样地如果花一倍成本去优化到 5000TPS 也没有意义。

# Java字节码

开头有说过到，Java通过JVM实现跨平台运行。那为什么同一份代码在不同平台之间不能运行呢？

不同平台（比如Windows、Linux、macOS）有不同的硬件架构和操作系统，它们处理指令的方式可能不同。例如，x86架构的CPU和ARM架构的CPU的机器指令集不同。如果直接编译成机器码，那么每个平台都需要不同的可执行文件。

然而，JVM充当了一个中间层，负责将字节码转换为特定平台的机器码。这样，只要目标平台有对应的JVM，就可以运行同一份字节码。

而这里的字节码文件，就是源码编译后的产物，也就是那些后缀为class的文件，或者jar文件。

# Jar跟Class文件

.class 文件是由 Java 编译器（javac）将 .java 源代码文件编译后生成的二进制文件。它是 Java 虚拟机（JVM）能够直接识别和执行的字节码文件。

.jar 文件（Java Archive File）是一个压缩文件格式，它基于 ZIP 格式，用于打包多个 .class 文件以及其他资源文件（如配置文件、图片等）。.jar 文件的主要目的是简化 Java 应用程序的分发和管理。

  • 打包多个类和资源文件：.jar 文件可以包含多个 .class 文件、资源文件（如 .properties 配置文件、图片等）、以及元信息（如 META-INF/MANIFEST.MF 文件）。
  • 便于分发和部署：相比于单独管理大量的 .class 文件，.jar 文件更易于分发和部署。
  • 支持模块化开发：.jar 文件可以作为一个独立的模块，供其他项目引用。例如，Spring、Hibernate 等框架通常以 .jar 文件的形式提供。
  • 可执行 JAR：通过在 META-INF/MANIFEST.MF 文件中指定主类（Main-Class），可以将 .jar 文件制作成可执行文件。

所以说，字节码文件是很重要的文件。

从技术人员的角度看，Java 字节码是 JVM 的指令集。JVM 加载字节码格式的 class 文件，校验之后通过 JIT 编译器转换为本地机器代码执行。 简单说字节码就是我们编写的 Java 应用程序大厦的每一块砖，如果没有字节码的支撑，大家编写的代码也就没有了用武之地，无法运行。也可以说，Java 字节码就是 JVM 执行的指令格式。

# 字节码简介

Java bytecode 由单字节(byte)的指令组成，理论上最多支持 256 个操作码(opcode)。实际上 Java 只使用了 200 左右的操作码， 还有一些操作码则保留给调试操作。

操作码， 下面称为 指令, 主要由类型前缀和操作名称两部分组成。

例如，’i’ 前缀代表 ‘integer’，所以，’iadd’ 很容易理解, 表示对整数执行加法运算。

根据指令的性质，主要分为四个大类：

  1. 栈操作指令，包括与局部变量交互的指令
  2. 程序流程控制指令
  3. 对象操作指令，包括方法调用指令
  4. 算术运算以及类型转换指令

此外还有一些执行专门任务的指令，比如同步(synchronization)指令，以及抛出异常相关的指令等等。下文会对这些指令进行详细的讲解。

# 编译与反编译

用 javap 工具来获取 class 文件中的指令清单。 javap 是标准 JDK 内置的一款工具, 专门用于反编译 class 文件。

使用 javap 工具来执行反编译, 获取字节码清单：

javap -c demo.jvm0104.HelloByteCode
# 或者: 
javap -c demo/jvm0104/HelloByteCode
javap -c demo/jvm0104/HelloByteCode.class

# 以下为 同过 -verbose 获取更多信息
javap -c -verbose TsApplication.class  获取详情
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使用 javac 编译 ，或者在 IDEA 或者 Eclipse 等集成开发工具自动编译，基本上是等效的。只要能找到对应的 class 即可。

javac demo/jvm0104/HelloByteCode.java
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通过反编译我们可以看到更多的信息，比如指令相关的信息，再比如常量池信息。

# 常量池

运行时常量池属于JVM运行时数据区的一部分，而字节码中的常量池是.class文件的一部分，我们能看见。

运行时常量池则是JVM在加载类时，将.class文件中的常量池内容解析后放入方法区中的数据结构。运行时常量池具有动态性，可以在运行时添加新的常量，例如String.intern()方法可能会将字符串添加到运行时常量池。

简单说，运行时常量池中的数据是根据.class文件中生成的。

每个.class文件都有一个字段————常量池（Constant Pool），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。例如类名、方法名、字段名、字符串常量等。这些信息在编译时确定，并存储在.class文件中。

包含编译期确定的所有常量，例如：

  • 字面量（如字符串"Hello"、数字123）
  • 符号引用（如类全名java/lang/Object、方法名toString、字段名value）
  • 方法类型、方法句柄等元数据。

运行时常量池在JVM规范中是堆的一部分，不同JVM实现可能不同，如JDK8后的元空间。

下面就用一个例子来查查看，要查看常量池信息, 我们得加一点魔法参数:

javap -c -verbose demo.jvm0104.HelloByteCode
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在反编译 class 时，指定 -verbose 选项, 则会 输出附加信息。

结果如下所示:

Classfile /XXXXXXX/demo/jvm0104/HelloByteCode.class
  Last modified 2019-11-28; size 301 bytes
  MD5 checksum 542cb70faf8b2b512a023e1a8e6c1308
  Compiled from "HelloByteCode.java"
public class demo.jvm0104.HelloByteCode
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref #4.#13 // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class #14 // demo/jvm0104/HelloByteCode
   #3 = Methodref #2.#13 // demo/jvm0104/HelloByteCode."<init>":()V
   #4 = Class #15 // java/lang/Object
   #5 = Utf8 <init>
   #6 = Utf8 ()V
   #7 = Utf8 Code
   #8 = Utf8 LineNumberTable
   #9 = Utf8 main
  #10 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
  #11 = Utf8 SourceFile
  #12 = Utf8 HelloByteCode.java
  #13 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V
  #14 = Utf8 demo/jvm0104/HelloByteCode
  #15 = Utf8 java/lang/Object
{
  public demo.jvm0104.HelloByteCode();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new #2 // class demo/jvm0104/HelloByteCode
         3: dup
         4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
         7: astore_1
         8: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8
}
SourceFile: "HelloByteCode.java"
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其中显示了很多关于 class 文件信息： 编译时间， MD5 校验和， 从哪个 .java 源文件编译得来，符合哪个版本的 Java 语言规范等等。

以下就是对常量池的引用，和信息定义。

Constant pool:
   #1 = Methodref #4.#13 // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class #14 // demo/jvm0104/HelloByteCode
   #3 = Methodref #2.#13 // demo/jvm0104/HelloByteCode."<init>":()V
   #4 = Class #15 // java/lang/Object
   #5 = Utf8 <init>
......
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这是摘取的一部分内容, 可以看到常量池中的常量定义。还可以进行组合, 一个常量的定义中可以引用其他常量。

比如第一行: #1 = Methodref #4.#13 // java/lang/Object."<init>":()V, 解读如下:

  • #1 常量编号, 该文件中其他地方可以引用。
  • = 等号就是分隔符.
  • Methodref 表明这个常量指向的是一个方法；具体是哪个类的哪个方法呢? 类指向的 #4, 方法签名指向的 #13; 当然双斜线注释后面已经解析出来可读性比较好的说明了。

同学们可以试着解析其他的常量定义。

总结一下，常量池就是一个常量的大字典，使用编号的方式把程序里用到的各类常量统一管理起来，这样在字节码操作里，只需要引用编号即可。

# 线程栈与字节码执行模型

上面说到，其实Java 字节码就是 JVM 的指令集，那JVM它是如何执行指令的呢？这里就要提到它的执行模型了。

Java虚拟机（JVM）作为一台基于栈的计算机器，其核心设计围绕线程栈和栈帧展开，这些机制共同支撑了Java程序的执行流程。它是基于栈的计算机器，之所以这样设计，是为了屏蔽底层硬件的差异，同时实现指令简洁（无需依赖物理寄存器分配）。

JVM使用操作数栈作为指令执行的核心载体（而非直接操作物理寄存器）。所有算术运算、方法调用和数据传递都通过“压栈（push）”和“弹栈（pop）”完成。

有点蒙，不要慌，我们一个一个的来解释。

# 栈帧（Frame）

每次方法调用（如main()调用methodA()）会创建一个新的栈帧，方法结束时（正常返回或异常）栈帧被销毁。

栈帧由三部分组成：

操作数栈（Operand Stack）：临时存储指令操作的数据（如计算a + b时暂存a和b的值）。

局部变量数组（Local Variable Array）：存储方法的参数和内部定义的局部变量（按索引访问）。

Class引用（指向运行时常量池的引用）：支持动态链接（如确定方法的具体实现、解析符号引用）。

操作数栈，是栈帧中的一个具体组成部分，它是一个后进先出（LIFO）的数据结构，用于存储操作数和中间计算结果。每个栈帧都有自己的操作数栈，其大小在编译时确定。例如，当执行iadd指令时，需要从操作数栈顶弹出两个整数，相加后再将结果压入栈顶。

# 线程私有栈（JVM Stack）

每个线程在创建时会分配一个独立的线程栈，用于存储该线程执行方法时生成的栈帧（Frame）。

以下是线程栈中包含的主要内容：

  1. 栈帧（Stack Frame）：每次方法调用时，都会在线程栈中创建一个栈帧（Stack Frame）。栈帧是线程栈的核心组成部分，包含了方法执行所需的所有信息。每个栈帧对应一个未完成的方法调用。
  2. 方法调用的栈结构：当线程执行方法时，JVM 会按照方法调用的顺序，依次将栈帧压入线程栈中。方法执行完毕后，对应的栈帧会被弹出。

此外，你还需要注意，线程栈是有隔离性的，也正因为如此，才确保了多线程并发执行时，各线程的方法调用互不干扰。

# 对象初始化指令

介绍了这么多，估计你也对JVM和编译后的字节码有一个大致的了解了，那现在加个餐，从指令层面来看下对象初始化过程。

我们都知道 new是 Java 编程语言中的一个关键字， 但其实在字节码中，也有一个指令叫做 new。 当我们创建类的实例时, 编译器会生成类似下面这样的操作码：

         0: new #2 // class demo/jvm0104/HelloByteCode
         3: dup
         4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
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当你同时看到 new, dup 和 invokespecial 指令在一起时，那么一定是在创建类的实例对象！

为什么是三条指令而不是一条呢？这是因为：

  • new 指令只是创建对象，但没有调用构造函数。
  • dup 指令用于复制栈顶的值。
  • invokespecial 指令用来调用某些特殊方法的, 当然这里调用的是构造函数。

由于构造函数调用不会返回值，所以如果没有 dup 指令, 在对象上调用方法并初始化之后，操作数栈就会是空的，在初始化之后就会出问题, 接下来的代码就无法对其进行处理。

这就是为什么要事先复制引用的原因，为的是在构造函数返回之后，可以将对象实例赋值给局部变量或某个字段。

# 进一步解释

以下是更进一步的解释：

new指令。在Java源代码中，当我们写new Xxx时，编译器会生成对应的字节码。那么在字节码里，new指令应该负责分配内存空间给新对象吧？不过可能这时候对象还没有完全初始化，因为构造函数还没调用。所以new指令可能只是在堆上为对象分配内存，并将对象的引用压入操作数栈。这时候对象的状态可能是原始状态，所有字段都是默认值（比如0、null等），因为构造函数还没执行。

接下来是dup指令。dup是duplicate的缩写，也就是复制栈顶的值。这时候操作数栈顶已经有一个由new指令生成的对象的引用。执行dup之后，栈顶会有两个相同的对象引用。为什么要这样做呢？可能是因为之后调用构造函数（invokespecial）的时候会消耗一个引用，而另一个引用需要保留下来，以便后续使用，比如将对象赋值给变量或者作为方法调用的参数。所以dup是为了复制引用，防止在调用构造函数后丢失引用？

然后是invokespecial指令。这个指令用于调用实例初始化方法，也就是构造函数。在Java中，构造函数的名字是 init，所以这里invokespecial调用的是这个特殊的方法。调用构造函数的时候，会从操作数栈中取出对象的引用（也就是之前通过new得到的那个引用），然后执行构造函数中的代码，初始化对象的状态。这时候，构造函数执行完毕，对象才算是完全创建好了，可以被正常使用。

上次更新: 2025/03/23, 14:28:29
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