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【朝花夕拾】Android性能优化篇之(一)序言及JVM篇

序言

       笔者从事Anroid开发有些年头了,深知掌握Anroid性能优化方面的知识的必要性,这是一个程序员必须修炼的内功。在面试中,它是面试官的挚爱,在工作中,它是代码质量的拦路虎,其重要性可见一斑。在团队中,性能优化的工作又往往由经验丰富的老师傅来完成,可见要做好性能优化,绝不是一件容易的事情。

       性能优化方面涉及的知识点比较广,有理论基础知识,也有实际操作技能,笔者将通过一系列的文章来进行整理,将主要包括Java虚拟机、内存分配、垃圾回收,android虚拟机、进程管理、内存优化、内存泄漏,常用内存分析及优化工具介绍等。由于笔者水平和经验有限,也是在边研究边整理,有不当之处,请不吝赐教。

        当前系列内容已完成如下篇章:

      【朝花夕拾】Android性能优化篇之(一)序言及JVM篇

      【朝花夕拾】Android性能优化篇之(二)Java内存分配

      【朝花夕拾】Android性能优化篇之(三)Java内存回收

      【朝花夕拾】Android性能优化篇之(四)Apk打包

 

前言

        之所以第一篇要先介绍JVM,是因为当前Android开发的主流语言是java,而JVM又是java程序进程生命诞生的地方。JVM就像盘古一样开天辟地,在机器上开辟了一个虚拟的空间,然后才有了java生存的土壤。JVM也是中高级程序员,架构师,系统调优师等职位所必须要了解甚至深入掌握的知识点。当然,本系列的重点是内存及性能上的优化,所以本文只对JVM做一定概略性的讲解,不做太深入的研究。本文主要内容如下:

                       

一、什么是JVM?

       咱们这里借鉴百度百科的解释:

       JVM是Java Virtual Machine 的缩写,即Java虚拟机,它是一种用于计算设备的规范,通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现,可以简单理解为,它是一个在实际计算机中虚构出来的寄生计算机。Java源文件经过编译器编译成.class文件(字节码文件)后,由JVM来执行。JVM拥有一套支持java字节码文件(.class文件)执行的环境,可以将.class文件解释成具体平台上的机器指令并执行。Java程序只需要生成.class文件,即可以在任何装有JVM的设备上运行,而不需要理会具体操作系统平台相关的信息。此时的JVM就像一个翻译官一样连接连接着.class文件和系统平台。Java的这个特性叫做平台无关性,实现了“一次编译,到处运行”,JVM就是实现Java这个功能的大功臣。

 

二、JDK,JRE,JVM是什么关系?

       如下截图为JDK安装包结构

        

  1、JDK

      Java Development Kit 的缩写,即 Java开发工具包,提供了开发java程序所需要的基本条件。在上图JDK安装包截图的红色边框中

bin:最主要包含了编辑器javac.exe,功能是将java源文件编译为.class文件。include:包含了Java和JVM交互用的头文件。lib:包含了ava开发所需的类库。jre:为Java运行环境。

  2、JRE

       Java Runtime Environment的缩写,即Java运行环境,下图为JRE文件夹的内容。注意,JRE是运行环境,而不是开发环境。

      

bin:可以理解为JVM,其中javaw.exe或java.exe用于执行.class文件。lib:提供了JVM执行所需要的库。

  3、JVM

        执行.class文件。

  4、结论

        这三者的关系可以通过下图(摘自某网站)来理解:JDK包含了JRE,JRE又包含了JVM(对于比较懒得童鞋,可以先记住这个结论)。图中提到的Java开发工具,集成有类库和编译工具,只需关联jre即可。                

        

 

三、JVM的工作

  1、Java文件执行流程图

       下图显示了JVM在java程序工作流中的位置,可以结合前面的内容来看。

    

  2、JVM实际工作内容

      实际上JVM的执行过程中,主要做了三个工作:

    (1)加载并执行.class文件;

    (2)管理并分配内存(推荐阅读:【朝花夕拾】Android性能优化篇之(二)Java内存分配);

    (3)执行垃圾回收(推荐阅读:【朝花夕拾】Android性能优化篇之(三)Java内存回收)。

 

四、JVM生命周期

       一个JVM实例对应一个独立运行的Java程序,是属于进程级别的,也有自己的生命周期:

  1、启动

        当启动一个Java程序的时候,就产生了一个JVM实例。我们还记得Java的入口函数 public static void main(String[] args)吗?每个拥有该函数的.class都可以作为JVM实例运行的起点。

  2、运行

        main()作为起点,启动主线程,其他任何线程都在该线程中启动。JVM有两种线程:User Thread(用户线程)和Daemon Thread(守护线程:为用户线程服务的线程),main()线程为用户线程,而守护线程通常由JVM自己使用。

  3、消亡

        当程序中的所有用户线程都终止时,JVM才会退出,守护线程无线程需要服务了,也就跟着退出了历史的舞台。若安全管理器允许,程序也可以使用Runtime或者System.exit()来退出。

 

五、JVM架构及工作原理

       

       上图更详细地展示了JVM的架构,由图可知,JVM主要是划分为三个子系统 :(1)类加载器子系统 (2)运行时数据区 (3)执行引擎 和Java本地接口、本地方法库。

  1、类加载子系统(Class Loader SubSystem)

       Java的动态类加载功能由该子系统处理,当它在运行时(不是编译时)首次引用一个类时,它加载、链接并初始化该类文件(.class文件)。

    (1)加载(Loading)

        类的加载在此组件中完成,加载过程主要由下面三个加载器实现:

        1)启动类加载器(BootStrap class Loader)。负责从启动类路径中加载类,无非就是rt.jar。这个加载器会被赋予最高优先级。

        2)扩展类加载器(Extension class Loader)。负责加载ext目录(jrelib)内的类。

        3)应用程序类加载器(Application class Loader)。负责加载应用程序级别类路径,涉及到路径的环境变量等。

        这三个类加载器会遵循委托层次算法(Delegation Hierarchy Algorithm)加载类文件。

    (2)链接(Linking)

        该过程主要完成以下三个步骤:

        1)校验(Verify)。字节码校验器会校验生成的字节码是否正确,如果校验失败,我们会得到校验错误。

        2)准备(Prepare)。分配内存并初始化默认值给所有的静态变量。

        3)解析(Resolve)。所有符号内存引用被方法区(Method Area)的原始引用所替代。

    (3)初始化(Initialization)

       这是类加载的最后阶段,这里所有的静态变量会赋初始值,并且静态块将被执行。

  2、运行时数据区(Runtime Data Area)

       该部分将在后续的文章(【朝花夕拾】Android性能优化篇之(二)Java内存分配)中详细讲述,这里不做赘述。

  3、执行引擎(Execution Engine)。

        分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行,执行引擎读取字节码并逐段执行。它包含了如下三个部分:解释器、编译器、垃圾回收器。

    (1)解释器(interpreter)。

        解释器能够快速地解释字节码,但执行却很慢。它的一个缺点就是,当一个方法被调用多次,每次都需要重新解释。

    (2)JIT编译器。

        JIT编译器消除了解释器的缺点,执行引擎利用解释器转换字节码,但如果是重复的代码,则使用JIT编译器将全部字节码编译成本机代码,本机代码将直接用于重复的方法调用,这样提高了系统的性能。它的工作由下面4个工具协同完成:

        1)中间代码生成器。负责生成中间代码。

        2)代码优化器。负责优化上面生成的中间代码。

        3)目标代码生成器。负责生成机器代码或本机代码。

        4)探测器(Profiler)。一个特殊的组件,负责寻找被多次调用的方法。

    (3)垃圾回收器。

       搜集并删除未引用的对象。可以通过调用“System.gc()”来触发垃圾回收,但并不保证会确实进行垃圾回收。JVM的垃圾回收只收集那些由new关键字创建的对象。所以,如果不是用new创建的对象,你可以使用finalize函数来执行清理。

  4、Java本地接口(JNI,Native Method Interface)

       JNI会与本地方法库进行交互并提供执行引擎所需的本地库。

  5、本地方法库(Native Method Library)

      它是一个执行引擎的本地库集合。 

 

推荐阅读

       JVM工作原理和流程

       深入理解JVM

       JVM介绍

       JVM_百度百科

       最后推荐一本术,周志明著的《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践》,业内评价很高,口碑非常好。