JVM和操作系統(tǒng)交互的方法是什么

這篇文章主要講解了“JVM和操作系統(tǒng)交互的方法是什么”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學(xué)習(xí)“JVM和操作系統(tǒng)交互的方法是什么”吧！

根據(jù)馮·諾依曼思想，計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制作為數(shù)制基礎(chǔ)，必須包含：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)設(shè)備，以及輸入輸出設(shè)備，如下圖所示。

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這里解釋下上圖中 CPU 內(nèi)部集成的存儲(chǔ)單元 SRAM ，正好和主存中的 DRAM 對(duì)應(yīng)， RAM 是隨機(jī)訪問內(nèi)存，就是給一個(gè)地址就能訪問到數(shù)據(jù)，而磁盤這種存儲(chǔ)媒介必須順序訪問，而 RAM 又分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，靜態(tài) RAM 由于集成度較低，一般容量小，速度快，而動(dòng)態(tài) RAM 集成度較高，主要通過給電容充電和放電實(shí)現(xiàn)，速度沒有靜態(tài) RAM 快，所以一般將動(dòng)態(tài) RAM 做為主存，而靜態(tài) RAM 作為 CPU 和主存之間的高速緩存 （cache），用來屏蔽 CPU 和主存速度上的差異，也就是我們經(jīng)常看到的 L1 ， L2 緩存。每一級(jí)別緩存速度變低，容量變大。

下圖展示了存儲(chǔ)器的層次化架構(gòu)，以及 CPU 訪問主存的過程，這里有兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，一個(gè)是多級(jí)緩存之間為保證數(shù)據(jù)的一致性，而推出的緩存一致性協(xié)議，具體可以參考這篇文章，另外一個(gè)知識(shí)點(diǎn)是， cache 和主存的映射，首先要明確的是 cahce 緩存的單位是緩存行，對(duì)應(yīng)主存中的一個(gè)內(nèi)存塊，并不是一個(gè)變量，這個(gè)主要是因?yàn)?nbsp; CPU 訪問的空間局限性：被訪問的某個(gè)存儲(chǔ)單元，在一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)，很有可能再次被訪問到，以及空間局限性：被訪問的某個(gè)存儲(chǔ)單元，在較短時(shí)間內(nèi)，他的相鄰存儲(chǔ)單元也會(huì)被訪問到。

而映射方式有很多種，類似于 cache 行號(hào) = 主存塊號(hào) mod cache總行數(shù) ，這樣每次獲取到一個(gè)主存地址，根據(jù)這個(gè)地址計(jì)算出在主存中的塊號(hào)就可以計(jì)算出在 cache 中的行號(hào)。

Java 是一門高級(jí)語言，這類語言不能直接運(yùn)行在硬件上，必須運(yùn)行在能夠識(shí)別 Java 語言特性的虛擬機(jī)上，而 Java 代碼必須通過 Java 編譯器將其轉(zhuǎn)換成虛擬機(jī)所能識(shí)別的指令序列，也稱為 Java 字節(jié)碼，之所以稱為字節(jié)碼是因?yàn)?Java 字節(jié)碼的操作指令（OpCode）被固定為一個(gè)字節(jié)，以下為 System.out.println("Hello world") 編譯后的字節(jié)碼：

0x00:  b2 00 02         getstatic  Java .lang.System.out
0x03:  12 03            ldc "Hello， World!"
0x05:  b6 00 04         invokevirtual  Java .io.PrintStream.println
0x08:  b1               return

最左列是偏移；中間列是給虛擬機(jī)讀的字節(jié)碼；最右列是高級(jí)語言的代碼，下面是通過匯編語言轉(zhuǎn)換成的機(jī)器指令，中間是機(jī)器碼，第三列為對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令，最后一列是對(duì)應(yīng)的匯編代碼：

0x00:  55                    push   rbp
0x01:  48 89 e5              mov    rbp，rsp
0x04:  48 83 ec 10           sub    rsp，0x10
0x08:  48 8d 3d 3b 00 00 00  lea    rdi，[rip+0x3b]
                                    ; 加載 "Hello， World!\n"
0x0f:  c7 45 fc 00 00 00 00  mov    DWORD PTR [rbp-0x4]，0x0
0x16:  b0 00                 mov    al，0x0
0x18:  e8 0d 00 00 00        call   0x12
                                    ; 調(diào)用 printf 方法
0x1d:  31 c9                 xor    ecx，ecx
0x1f:  89 45 f8              mov    DWORD PTR [rbp-0x8]，eax
0x22:  89 c8                 mov    eax，ecx
0x24:  48 83 c4 10           add    rsp，0x10
0x28:  5d                    pop    rbp
0x29:  c3                    ret

中斷

從 Linux 內(nèi)存管理角度理解 JVM 內(nèi)存模型

進(jìn)程上下文

虛擬存儲(chǔ)

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裝入位 表示對(duì)于頁是否在主存，如果地址頁每頁表示，數(shù)據(jù)還在磁盤

• 存放位置 建立虛擬頁和物理頁的映射，用于地址轉(zhuǎn)換，如果為null表示是一個(gè)未分配頁
• 修改位 用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是否修改過
• 權(quán)限位 用來控制是否有讀寫權(quán)限
• 禁止緩存位 主要用來保證 cache 主存 磁盤的數(shù)據(jù)一致性

內(nèi)存映射

下面我們貼一段 rocketmq 消息存儲(chǔ)模塊的代碼，位于 MappedFile 類中，這個(gè)類是 rocketMq 消息存儲(chǔ)的核心類感興趣的可以自行研究，下面兩個(gè)方法一個(gè)是創(chuàng)建文件映射，一個(gè)是預(yù)熱文件，每預(yù)熱 1000 個(gè)數(shù)據(jù)頁，就讓出 CPU 權(quán)限。

 private void init(final String fileName， final int fileSize) throws IOException {
        this.fileName = fileName;
        this.fileSize = fileSize;
        this.file = new File(fileName);
        this.fileFromOffset = Long.parseLong(this.file.getName());
        boolean ok = false;

        ensureDirOK(this.file.getParent());

        try {
            this.fileChannel = new RandomAccessFile(this.file， "rw").getChannel();
            this.mappedByteBuffer = this.fileChannel.map(MapMode.READ_WRITE， 0， fileSize);
            TOTAL_MAPPED_VIRTUAL_MEMORY.addAndGet(fileSize);
            TOTAL_MAPPED_FILES.incrementAndGet();
            ok = true;
        } catch (FileNotFoundException e) {
            log.error("create file channel " + this.fileName + " Failed. "， e);
            throw e;
        } catch (IOException e) {
            log.error("map file " + this.fileName + " Failed. "， e);
            throw e;
        } finally {
            if (!ok && this.fileChannel != null) {
                this.fileChannel.close();
            }
        }
    }


//文件預(yù)熱，OS_PAGE_SIZE = 4kb 相當(dāng)于每 4kb 就寫一個(gè) byte 0 ，將所有的頁都加載到內(nèi)存，真正使用的時(shí)候就不會(huì)發(fā)生缺頁異常了
 public void warmMappedFile(FlushDiskType type， int pages) {
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        ByteBuffer byteBuffer = this.mappedByteBuffer.slice();
        int flush = 0;
        long time = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0， j = 0; i < this.fileSize; i += MappedFile.OS_PAGE_SIZE， j++) {
            byteBuffer.put(i， (byte) 0);
            // force flush when flush disk type is sync
            if (type == FlushDiskType.SYNC_FLUSH) {
                if ((i / OS_PAGE_SIZE) - (flush / OS_PAGE_SIZE) >= pages) {
                    flush = i;
                    mappedByteBuffer.force();
                }
            }

            // prevent gc
            if (j % 1000 == 0) {
                log.info("j={}， costTime={}"， j， System.currentTimeMillis() - time);
                time = System.currentTimeMillis();
                try {
                // 這里sleep(0)，讓線程讓出 CPU 權(quán)限，供其他更高優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行，此線程從運(yùn)行中轉(zhuǎn)換為就緒
                    Thread.sleep(0);
                } catch (InterruptedException e) {
                    log.error("Interrupted"， e);
                }
            }
        }

        // force flush when prepare load finished
        if (type == FlushDiskType.SYNC_FLUSH) {
            log.info("mapped file warm-up done， force to disk， mappedFile={}， costTime={}"，
                this.getFileName()， System.currentTimeMillis() - beginTime);
            mappedByteBuffer.force();
        }
        log.info("mapped file warm-up done. mappedFile={}， costTime={}"， this.getFileName()，
            System.currentTimeMillis() - beginTime);

        this.mlock();
    }

JVM 中對(duì)象的內(nèi)存布局

在linux中只要知道一個(gè)變量的起始地址就可以讀出這個(gè)變量的值，因?yàn)閺倪@個(gè)起始地址起前8位記錄了變量的大小，也就是可以定位到結(jié)束地址，在 Java 中我們可以通過 Field.get(object) 的方式獲取變量的值，也就是反射，最終是通過 UnSafe 類來實(shí)現(xiàn)的。我們可以分析下具體代碼。

 Field 對(duì)象的 getInt方法  先安全檢查 ，然后調(diào)用 FieldAccessor
    @CallerSensitive
    public int getInt(Object obj)
        throws IllegalArgumentException， IllegalAccessException
    {
        if (!override) {
            if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz， modifiers)) {
                Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
                checkAccess(caller， clazz， obj， modifiers);
            }
        }
        return getFieldAccessor(obj).getInt(obj);
    }


 獲取field在所在對(duì)象中的地址的偏移量 fieldoffset
    UnsafeFieldAccessorImpl(Field var1) {
            this.field = var1;
            if(Modifier.isStatic(var1.getModifiers())) {
                this.fieldOffset = unsafe.staticFieldOffset(var1);
            } else {
                this.fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(var1);
            }

            this.isFinal = Modifier.isFinal(var1.getModifiers());
     }


 UnsafeStaticIntegerFieldAccessorImpl 調(diào)用unsafe中的方法
     public int getInt(Object var1) throws IllegalArgumentException {
          return unsafe.getInt(this.base， this.fieldOffset);
     }

jdk6  --- 32 位系統(tǒng)下    public final static class VolatileLong{        public volatile long value = 0L;        public long p1， p2， p3， p4， p5， p6; // 填充字段    }jdk7 通過繼承   public class VolatileLongPadding {       public volatile long p1， p2， p3， p4， p5， p6; // 填充字段   }   public class VolatileLong extends VolatileLongPadding {       public volatile long value = 0L;   }jdk8 通過注解   @Contended   public class VolatileLong {       public volatile long value = 0L;   }

NPTL和 Java 的線程模型

按照教科書的定義，進(jìn)程是資源管理的最小單位，而線程是 CPU 調(diào)度執(zhí)行的最小單位，線程的出現(xiàn)是為了減少進(jìn)程的上下文切換（線程的上下文切換比進(jìn)程小很多），以及更好適配多核心 CPU 環(huán)境，例如一個(gè)進(jìn)程下多個(gè)線程可以分別在不同的 CPU 上執(zhí)行，而多線程的支持，既可以放在Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，也可以在核外實(shí)現(xiàn)，如果放在核外，只需要完成運(yùn)行棧的切換，調(diào)度開銷小，但是這種方式無法適應(yīng)多 CPU 環(huán)境，底層的進(jìn)程還是運(yùn)行在一個(gè) CPU 上，另外由于對(duì)用戶編程要求高，所以目前主流的操作系統(tǒng)都是在內(nèi)核支持線程，而在Linux中，線程是一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程，只是優(yōu)化了線程調(diào)度的開銷。

線程的狀態(tài)

• BLOCKED （on object monitor)  通過 synchronized(obj) 同步塊獲取鎖的時(shí)候，等待其他線程釋放對(duì)象鎖，dump 文件會(huì)顯示 waiting to lock <0x00000000e1c9f108>
• TIMED WAITING (on object monitor) 和 WAITING (on object monitor) 在獲取鎖后，調(diào)用了 object.wait() 等待其他線程調(diào)用 object.notify()，兩者區(qū)別是是否帶超時(shí)時(shí)間
• TIMED WAITING (sleeping) 程序調(diào)用了 thread.sleep()，這里如果 sleep(0) 不會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，會(huì)直接從運(yùn)行轉(zhuǎn)換為就緒
• TIMED WAITING (parking) 和 WAITING (parking) 程序調(diào)用了 Unsafe.park()，線程被掛起，等待某個(gè)條件發(fā)生，waiting on condition

線程的同步

線程同步出現(xiàn)的根本原因是訪問公共資源需要多個(gè)操作，而這多個(gè)操作的執(zhí)行過程不具備原子性，被任務(wù)調(diào)度器分開了，而其他線程會(huì)破壞共享資源，所以需要在臨界區(qū)做線程的同步，這里我們先明確一個(gè)概念，就是臨界區(qū)，他是指多個(gè)任務(wù)訪問共享資源如內(nèi)存或文件時(shí)候的指令，他是指令并不是受訪問的資源。

定時(shí)器已經(jīng)是現(xiàn)代軟件中不可缺少的一部分，例如每隔5秒去查詢一下狀態(tài)，是否有新郵件，實(shí)現(xiàn)一個(gè)鬧鐘等， Java  中已經(jīng)有現(xiàn)成的 api 供使用，但是如果你想設(shè)計(jì)更高效，更精準(zhǔn)的定時(shí)器任務(wù)，就需要了解底層的硬件知識(shí)，比如實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式任務(wù)調(diào)度中間件，你可能要考慮到各個(gè)應(yīng)用間時(shí)鐘同步的問題。

public final void wait(long timeout， int nanos) throws InterruptedException {
     if (timeout < 0) {
         throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
     }
     if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
         throw new IllegalArgumentException(
                             "nanosecond timeout value out of range");
     }
     if (nanos > 0) {
         timeout++;
     }
     wait(timeout);
 }

public static void sleep(long millis， int nanos)
 throws InterruptedException {
     if (millis < 0) {
         throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
     }
     if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
         throw new IllegalArgumentException(
                             "nanosecond timeout value out of range");
     }
     if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {
         millis++;
     }
     sleep(millis);
 }

• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC ，用于長(zhǎng)時(shí)間存放系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)備，即使關(guān)機(jī)也可以依靠主板中的電池繼續(xù)計(jì)時(shí)。Linux 啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)從 RTC 中讀取時(shí)間和日期作為初始值，之后在運(yùn)行期間通過其他計(jì)時(shí)器去維護(hù)系統(tǒng)時(shí)間。
• 可編程間隔定時(shí)器 PIT ，該計(jì)數(shù)器會(huì)有一個(gè)初始值，每過一個(gè)時(shí)鐘周期，該初始值會(huì)減1，當(dāng)該初始值被減到0時(shí)，就通過導(dǎo)線向 CPU 發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘中斷， CPU 就可以執(zhí)行對(duì)應(yīng)的中斷程序，也就是回調(diào)對(duì)應(yīng)的任務(wù)
• 時(shí)間戳計(jì)數(shù)器 TSC ， 所有的 Intel8086 CPU 中都包含一個(gè)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的寄存器，該寄存器的值會(huì)在每次 CPU 收到一個(gè)時(shí)鐘周期的中斷信號(hào)后就會(huì)加 1 。他比 PIT 精度高，但是不能編程，只能讀取。

計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備有鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、網(wǎng)卡等，通常我們將外部設(shè)備和和主存之間的信息傳遞稱為 I/O 操作 ， 按操作特性可以分為，輸出型設(shè)備，輸入型設(shè)備，存儲(chǔ)設(shè)備。現(xiàn)代設(shè)備都采用通道方式和主存進(jìn)行交互，通道是一個(gè)專門用來處理IO任務(wù)的設(shè)備， CPU 在處理主程序時(shí)遇到I/O請(qǐng)求，啟動(dòng)指定通道上選址的設(shè)備，一旦啟動(dòng)成功，通道開始控制設(shè)備進(jìn)行操作，而 CPU 可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，I/O 操作完成后，通道發(fā)出 I/O 操作結(jié)束的中斷，處理器轉(zhuǎn)而處理 IO 結(jié)束后的事件。其他處理 IO 的方式，例如輪詢、中斷、DMA，在性能上都不見通道，這里就不介紹了。當(dāng)然  Java  程序和外部設(shè)備通信也是通過系統(tǒng)調(diào)用完成，這里也不在繼續(xù)深入了。

感謝各位的閱讀，以上就是“JVM和操作系統(tǒng)交互的方法是什么”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對(duì)JVM和操作系統(tǒng)交互的方法是什么這一問題有了更深刻的體會(huì)，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！