Java Advanced

_readme.md

Java Advanced

Данный гист содержит описание углубленных деталей работы Java приложения и виртуальной машины.

Содержание:

• Жизненный цикл Java приложения
• Сборщик мусора Java

java-application-lifecicle.md

Жизненный цикл Java приложения

Компонент, который стартует HotSpot VM называется лаунчером (launcher). Существует несколько HotSpot VM лаунчеров. Самый распространенный - это лаунчер командной строки java и javaw. Также существует сетевой лаунчер javaws, который испольуется браузерами для запуска апплетов (applet). JNI (Java Native Interface) - фреймворк, позволяющий нативным приложениям вызывать джава методы из существующей JVM по средством структуры JNIEnv. Она содержит все необходимые функции для работы с JVM и джава объектами. Т.е. можно сказать, что все, что можно написать с помощью джава кода, можно выполнить с помощью JNIEnv.

Старт приложения

1. Парсинг параметров командной строки. Некоторые параметры служат сигналом для самом лаунчера (такие как -client или -server), а некоторые перенаправляются для HotSpot VM.
2. Установка размеров хипа (heap) и типа JIT компилятора (если какой либо из параметров -client или -server не был указан, то тип JIT компилятора выбирается неявно самим лаунчером).
3. Установка переменных среды (environment variables), таких как LD_LIBRARY_PATH и CLASSPATH.
4. Если мейн класс (Main-Class) не был передан в параметрах, то лаунчер пытается его достать из манифест (manifest) файла запускаемой джарки (JAR). (мейн класс содержит в себе точку входа - public static void main(String[] args))
5. Создание HotSpot VM путем вызова метода JNI_CreateJavaVM.
   • Гарантируется, что только один поток вызывает этот метод и только одна виртуальная машина будет создана.
   • Проверки JNI и инициализации потока вывода для логгирования сборщика мусора.
   • Инициализация модулей операционной системы, таких как генератор рандомных чисел, guard pages (динамическое управление памятью), ID текущего процесса и др.
   • Передаются распаршенные аргументы из командной строки в JNI_CreateJavaVM для дальнейшего использования.
   • Инициализируются системныe Java проперти (такие как java.version или java.vendor), модули поддержки синхронизации, стека, памяти, необходимые библиотеки (libzip, libhpi, libjava и libthread), поток вывода, локальное хранилище потока и его состояния и т.д.
   • После всех этих инициализаций HotSpot VM уже может создавать потоки. Главный поток приложения присоединен к потоку операционный системы, но он еще должен быть добавлен в список "разрешенных" потоков.
   • Происходит еще кучка инициализаций: bootclassloader, кеширование кода, интерпритатор, JIT компилятор, JNI и др.
   • На данном этапе главный поток добавлен в список "разрешенных" потоков, VMThread виртуальной машины, который выполняет главные функции HotSpot VM, тоже проинициализирован.
   • Загружаются различные системные джава классы (java.lang.String, java.lang.System, java.lang.Thread, java.lang.ThreadGroup, java.lang.reflect.Method, java.lang.ref.Finalizer, java.lang.Class). HotSpot VM проинициализирована и почти готова к работе.
   • После того, как JIT компилятор проинициализировался, стартанули все нужные вспомогательные потоки для HotSpot VM, витуальная машина готова к работе.
   • Теперь HotSpot VM готова к обработке JNI реквестов.
6. Как только HotSpot VM проинициализированна, ищется главный класс, который содержит public static void main.
7. Далее HotSpot VM производит вызов метода main, используя метод CallStaticVoidMethod и передавая ему распаршенные аргументы из командной строки, полученные на шаге 5.5.

Примерный порядок инициализации приложения

Ниже представлена примерная реализация приложения, подробную инициализацию HotSpot VM для JDK7 можно посмотреть здесь.

#include <jni.h>       /* where everything is defined */
...
JavaVM *jvm;       /* denotes a Java VM */
JNIEnv *env;       /* pointer to native method interface */
JavaVMInitArgs vm_args; /* JDK/JRE 6 VM initialization arguments */
JavaVMOption* options = new JavaVMOption[1];
options[0].optionString = "-Djava.class.path=/usr/lib/java";
vm_args.version = JNI_VERSION_1_6;
vm_args.nOptions = 1;
vm_args.options = options;
vm_args.ignoreUnrecognized = false;
/* load and initialize a Java VM, return a JNI interface pointer in env */
JNI_CreateJavaVM(&jvm, (void**)&env, &vm_args);
delete options;
/* invoke the Main.test method using the JNI */
jclass cls = env->FindClass("Main");
jmethodID mid = env->GetStaticMethodID(cls, "test", "(I)V");
env->CallStaticVoidMethod(cls, mid, 100);
/* We are done. */
jvm->DestroyJavaVM();

java-garbage-collector.md

Сборщик мусора Java

Терминология сборщиков

Garbage collector (GC) - сборщик мусора в JVM, который освобождает память от неиспользуемых объектов.

Concurrent collector - сборщик, который работает параллельно с работой приложения.

Parallel collector - сборщик, который использует несколько CPU.

Stop-the-World (STW) collector - сборщик, который работает во время полной остановки приложения.

Incremental collector - сборщик, который выполняет дискретные операции с большим промежутком времени.

Conservative collector - сборщик называется неточным, если он не знает обо всех ссылках объекта во время его сборки или не уверен ссылочного типа данное поле или нет.

Precise collector - сборщик называется точным, если он может точно идентифицировать и обработать все ссылки объекта во время сборки.

• Сборщик обязан быть точным, чтобы двигать объекты
• Компиляторы должны предоставлять подробную OopMap для точных сборщиков
• Все коммерческие серверные JVM должны использовать точный сборщик

---

Safepoints

Safepoint или GC Safepoint - это точка или отрезок в выполнении потока, где сборщик может идентифицировать все указатели в стеке этого потока.

• Существуют также и другие типы сейвпоинтов, включая те, что требуют больше информации, чем GS сейвпоинт (например, для оптимизации).
• Когда поток достигает сейвпоинта, он не может выполниться "мимо" него.
• Существует "глобальный сейвпоинт", в котором все потоки будут задействованы.
• Сейвпоинты должны быть каждые несколько микросекунд выполнения потока.
• Все блокирующие операции сборщика мусора выполняются во время сейвпонтов.

Точный сборщик мусора (Precise GC)

Основные и необходимые механизмы точного сборщика мусора:

• Идентификация "живых" (использующихся) объектов в хипе.
• Освобождение ресурсов, занятых "мертыми" (неиспользующимися) объектами.
• Периодическое перемещение живых объектов.

[1] https://www.youtube.com/watch?v=we_enrM7TSY&t=3923s