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  • 本地库接口和本地方法栈
    2022-04-04 19:44:42

    本地方法

            一个Native Method就是一个java调用一个非java方法的接口。该方法的实现是非java实现
            如:getClass()、对于线程的操作方法(因为要转为操作系统线程)

    为什么使用本地方法

            1、调用非java代码,需要与java外面的环境进行交互
            2、与操作系统的交互

    本地方法栈

    本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务。

            《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规
    定,因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它,甚至有的Java虚拟机(譬如Hot-Spot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常

    本地方法栈溢出

            由于HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈,因此对于HotSpot来说,-Xoss参数(设置本地方法栈大小)虽然存在,但实际上是没有任何效果的,栈容量只能由-Xss参数来设定。关于虚拟机栈和本地方法栈,在《Java虚拟机规范》中描述了两种异常:
            1)如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度,将抛出StackOverflowError异常。
            2)如果虚拟机的栈内存允许动态扩展,当扩展栈容量无法申请到足够的内存时,将抛出
    OutOfMemoryError异常。
            而HotSpot虚拟机的选择是不支持扩展,所以除非在创建线程申请内存时就因无法获得足够内存而出现OutOfMemoryError异常否则在线程运行时是不会因为扩展而导致内存溢出的,只会因为栈容量无法容纳新的栈帧而导致StackOverflowError异常

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    在这里感谢尚硅谷JVM(宋红康),在此记录一下自己详细对学习笔记,希望对你有所帮助。

    视频地址
    代码地址

    06&07本地方法接口-本地方法库-本地方法栈

    什么是本地方法?

    简单地讲,一个Native Method就 是一个Java调用非Java代码的接口。 一个
    Native Method是这样 一个Java方法:该方法的实现由非Java语言实现,比如C。这个特征并非Java所特有,很多其它的编程语言都有这一机制,比如在C++中,
    你可以用extern "C"告 知C++编译器去调用-一个C的函数。

    “A native method is a Java method whose implementation isprovided by non-java code.”

    在定义一个native method时,并不提供实现体(有些像定义一个Javainterface),因为其实现体是由非java语言在外面实现的。

    本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用,它的初衷是融合C/C++程序。

    public class IHaveNatives {
        public native void Native1(int x);
    
        native static public long Native2();
    
        native synchronized private float Native3(Object o);
    
        native void Native4(int[] art) throws Exception;
    }
    

    标识符native可以与所有其它的java标识符连用,但是abstract除外。

    为什么要使用Native Method ?

    Java使用起来非常方便,然而有些层次的任务用Java实现起来不容易,或者我们对程序的效率很在意时,问题就来了。
    与Java环境外交互:
    **有时Java应用需要与Java外面的环境交互,这是本地方法存在的主要原因。**你可以想想Java需要与一些底层系统,如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制:它为我们提供了一个非常简洁的接口,而且我们无需去了解Java应用之外的繁琐的细节。

    ●与操作系统交互:
    JVM支持着Java语言本身和运行时库,它是Java程序赖以生存的平台,它由一个解释器(解释字节码)和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样,它毕竟不是一个完整的系统,它经常依赖于一些底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。**通过使用本地方法,我们得以用Java实现了jre的与底层系统的交互,甚至JVM的一些部分就是用c写的。**还有,如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时,我们也需要使用本地方法。
    ●Sun’ s Java
    Sun的解释器是用C实现的,这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用Java实现的,它也通过一些本地方法与外界交互。 例如:类java.lang. Thread的setPriority() 方法是用Java实现的,但是它实现调用的是该类里的本地方法setPriority0()。这个本地方法是用c实现的,并被植入JVM内部,在windows 95
    的平台上,这个本地方法最终将调用win32 SetPriority() API。 这是一个本地方
    法的具体实现由JVM直接提供,更多的情况是本地方法由外部的动态链接库,
    (external dynamic link library) 提供,然后被JVM调用。

    现状

    目前该方法使用的越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用Socket通信,也可以使用web Service等等, 不多做介绍。

    本地方法栈

    ●Java虛拟机栈用于管理Java方法的调用,而本地方法栈用于管理本地方法
    的调用。
    ●本地方法栈,也是线程私有的。
    允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。(在内存溢出方面是相同的)

    ➢如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量,Java虚拟机将会。
    抛出一个StackOverflowError 异常。
    ➢如果本地方法栈可以动态扩展,并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存,
    或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈,那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError 异常。

    ●本地方法是使用C语言实现的。
    ●它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法,在Execution Engine 执行时加载本地方法库。

    ●当某个线程调用一个本地方法时,它就进入了一个全新的并且不再受虚拟
    机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。

    ➢本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
    ➢它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
    ➢直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。

    ●并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求9
    **本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。**如果JVM产品不打算支持native方法,也可以无需实现本地方法栈。
    ●在Hotspot JVM中, 直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为-。

    image-20200510155636354

    public synchronized void start() {
        /**
         * This method is not invoked for the main method thread or "system"
         * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
         * to this method in the future may have to also be added to the VM.
         *
         * A zero status value corresponds to state "NEW".
         */
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();
    
        /* Notify the group that this thread is about to be started
         * so that it can be added to the group's list of threads
         * and the group's unstarted count can be decremented. */
        group.add(this);
    
        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
                /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
            }
        }
    }
    
    private native void start0();
    

    在Thread类中start()又调用了start0()这个本地方法,所以说合二为一

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  • 在Java出现之前,像C/C++这样的编译型语言写出来的代码都是编译为机器码(machine code)后直接运行的,machine code其实就是native code,直接操作系统交互。 对于内存,主要分三部分: 1)存储可执行代码(冯·...

    在Java出现之前,像C/C++这样的编译型语言写出来的代码经过编译后,得到的是可直接在某平台(Windows或Linux)上执行的机器码,即machine code,machine code其实就是native code,它直接和操作系统交互

    对于内存,主要分三部分:
    1)存储可执行代码(冯·诺依曼的存储程序的思想),即编译后的machine code;
    2)用来保存代码执行时用到的局部变量,即stack;
    3)代码执行时,动态找操作系统申请(最终要归还给操作系统)的heap;

    编译型语言写出现的程序,对于Heap的分配和归还都是由程序代码手工维护的。如下图所示,写一段C++代码,GCC编译后就成为了可以在某具体平台上运行的机器码。Native的代码和内存管理主要带来两个问题:一是编译后的代码无法跨平台,毕竟是native的,只能支持被编译平台的操作系统API和指令集。二是堆空间无法自动GC,因为内存管理是手工和操作系统交互,申请与释放的内存的操作交给程序员来做,操作系统并不支持GC。

    Java是一种解释型语言,解释型语言是相对于编译型语言存在的,它的源代码不是直接翻译成机器语言,而是先翻译成中间代码,再由解释器对中间代码进行解释运行。Java为了解决以上两个问题,它提出了虚拟机的思想,在原来的"Native Heap"里大作文章。

    JVM的ByteCode在任何平台都是一样的。所以到了某个具体的平台,被特定平台的JVM Runtime解释成本平台的machine code,得到可执行代码,存储到Native Code区,machine code运行起来之后就会用到Native Stack和Native Heap,这种把源代码先翻译成中间代码(即ByteCode)再由解释器解释成机器码供运行的模式,就实现了“Write Once,Run Anywhere”。这就解决了代码无法跨平台的问题

    因为Native Heap中相当一部分内存是供Java应用程序存储对象实例的,完全由JVM管理,就可以对JVM管理的Heap里的数据的引用关系做记录,然后用GC来自动释放内存,这就解决了上面提到的堆空间无法自动GC的问题。所以一个Java进程启动时,JVM向操作系统要的内存(-Xms与-Xmx),和程序向JVM要的内存是两件不同的事情了。JVM Heap的内部结构与用什么GC算法有关,比如对于传统分代就是由Eden(包括S0与S1)、Tenured和PermGen组成。

    被JVM管理的内存可以总体划分为两部分:Heap Memory和Native Memory。前者我们比较熟悉,其实就是被分成新生代老年代等的JVM heap,是供Java应用程序使用的;后者也称为C-Heap,是供JVM自身进程使用的。Native Memory没有相应的参数来控制大小,其大小依赖于操作系统进程的最大值(对于32位系统就是3~4G,各种系统的实现并不一样)。

    Native Memory里存储了什么呢,主要是

    • JNI调用,也就是Native Stack;
    • JIT(即使编译器)编译时使用Native Memory,并且JIT的输入(Java字节码)和输出(可执行代码)也都是保存在Native Memory;
    • NIO direct buffer。对于IBM JVM和Hotspot,都可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来设置nio直接缓冲区的最大值。默认是64M。超过这个时,会按照32M自动增大。
    • 用于保存类加载器和类信息的MetaSpace,在Native Memory中的。

    本地方法栈就是Native Stack,与Java虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。Navtive方法是Java通过JNI直接调用本地C/C++库,可以认为是Native方法相当于C/C++暴露给Java的一个接口,Java通过调用这个接口从而调用到C/C++方法。

    JVM也是在不断发展的,永久代(PermGen区)是对JVM规范中方法区的实现,JDK 7的永久代就在JVM Heap中,与新生代老年代一起构成了JVM Heap。在HotSpot JVM中,永久代(PermGen区)用于存放类和方法的元数据以及常量池,比如Class和Method。每当一个类初次被加载的时候,它的元数据都会放到永久代(PermGen区)中。永久代(PermGen区)是有大小限制的,因此如果加载的类太多,很有可能导致永久代内存溢出,即java.lang.OutOfMemoryError: PermGen,由于PermGen内存经常会溢出,因此JVM的开发者希望这一块内存可以更灵活地被管理,不要再经常出现这样的OOM。于是JDK 8开始把类的元数据放到本地堆内存(native heap)中,这一块区域就叫Metaspace,中文名叫元空间。之前永久代的类的元数据存储在新的元空间,原永久代的静态变量以及运行时常量池则转移到了JVM Heap中

    Metaspace空间的分配具有和JVM Heap相同的地址空间,使用本地内存有什么好处呢?最直接的表现就是OOM问题将不复存在,本地内存剩余多少理论上Metaspace就可以有多大(容量取决于是32位或是64位操作系统的可用虚拟内存大小),这解决了空间不足的问题。

    如果从线程执行的角度,大概可以这么理解。每个线程从JVM ByteCode开始执行,记录JVM Stack和PC Register,并被解释成Native Code,在Native Stack真正执行。这些线程共享一个JVM Heap,所以访问共享数据时才需要加锁保证安全

    在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代,而G1打破了原有的分代模型,将堆划分为一个个区域。G1将堆分成许多相同大小的区域单元,每个单元称为Region,Region是一块地址连续的内存空间。每个Region被标记了E、S、O和H,说明每个Region在运行时都充当了一种角色。其中H是以往算法中没有的,它代表Humongous,这表示这些Region存储的是巨型对象(humongous object,H-obj),当新建对象大小超过Region大小一半时,直接在新的一个或多个连续Region中分配,并标记为H。

    这么划分的目的是在进行收集时不必在全堆范围内进行,这是它最显著的特点。区域划分的好处就是带来了停顿时间可预测的收集模型:用户可以指定收集操作在多长时间内完成。G1垃圾收集算法主要应用在多CPU大内存的服务中,在满足高吞吐量的同时,尽可能地缩短垃圾回收时的暂停时间。

    展开全文
  • 本地方法栈(线程私有)无GC 类似于虚拟机,区别是虚拟机为执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则为Native 方法服务 。 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。 Native Method就是一个java调用非java代码...

    本地方法栈(线程私有)无GC

    • 类似于虚拟机栈,区别是虚拟机栈为执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则为Native 方法服务 。 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。
    • Native Method就是一个java调用非java代码的接口。一个Native Method是这样一个java的方法:该方法的实现由非java语言实现,比如C。

    虚拟机栈(线程私有)无GC

    是描述java方法执行的内存模型,每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。 每一个方法从调用直至执行完成 的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈出栈的过程。 栈帧随着方法调用而创建,随着方法结束而销毁 。

    栈帧结构:局部变量表、操作数栈、动态链接(将符号引用转化为直接引用)、方法返回地址以及一些附加信息。其大小主要由局部变量表和操作数栈决定。
    在这里插入图片描述

    栈中可能出现的两种异常

    • 如果采用固定大小的Java虚拟机栈,那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量,Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError 异常。
    • 如果Java虚拟机栈可以动态扩展,并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存,或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈,那Java虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

    局部变量表

    • 定义为一个数字数组,主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量,这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用(reference),以及returnAddress类型。
    • 由于局部变量表是建立在线程的栈上,是线程的私有数据,因此不存在数据安全问题
    • 局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的,并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。
    • 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说,栈越大,方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言,它的参数和局部变量越多,使得局部变量表膨胀,它的栈帧就越大,以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间,导致其嵌套调用次数就会减少。
    • 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时,虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后,随着方法栈帧的销毁,局部变量表也会随之销毁。

    若当前栈帧是由构造方法或实例方法创建的,那么会将该对象引用this放在局部变量表index为0的位置,其余参数按顺序排。这就是静态方法不能使用this的原因,因为静态方法的局部变量表中没有this。

    栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的,如果一个局部变量过了其作用域,那么在其作用域之后申明的新的局部变就很有可能会复用过期局部变量的槽位,从而达到节省资源的目的。

    注意:局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点,只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收

    操作数栈

    操作数栈,在方法执行过程中,根据字节码指令,往栈中写入数据或提取数据,即入栈(push)和 出栈(pop)

    • 某些字节码指令将值压入操作数栈,其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈

    • 比如:执行复制、交换、求和等操作
      在这里插入图片描述

    其主要用于保存计算过程的中间结果,同时作为计算过程中变量临时的存储空间

    动态链接

    每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接(Dynamic Linking)。比如:invokedynamic指令

    在Java源文件被编译到字节码文件中时,所有的变量和方法引用都作为符号引用(Symbolic Reference)保存在class文件的常量池里。比如:描述一个方法调用了另外的其他方法时,就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的,那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用
    在这里插入图片描述

    静态链接

    当一个字节码文件被装载进JVM内部时,如果被调用的目标方法在编译期可知,且运行期保持不变时,这种情况下降调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接

    动态链接

    如果被调用的方法在编译期无法被确定下来,只能够在程序运行期将调用的方法的符号转换为直接引用,由于这种引用转换过程具备动态性,因此也被称之为动态链接。比如多态

    早期绑定与晚期绑定

    对应的方法的绑定机制为:早期绑定(Early Binding 发生在编译期)和晚期绑定(Late Binding 发生在运行期)。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程,这仅仅发生一次。

    虚方法与非虚方法

    如果方法在编译期就确定了具体的调用版本,这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。

    静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。其他方法称为虚方法。

    方法返回地址

    存放调用该方法的pc寄存器的值。一个方法的结束,有两种方式:

    • 正常执行完成

    • 出现未处理的异常,非正常退出

    无论通过哪种方式退出,在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时,调用者的pc计数器的值作为返回地址,即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的,返回地址是要通过异常表来确定,栈帧中一般不会保存这部分信息。

    展开全文
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