深入理解Java虚拟机七

1.Java虚拟机监控诊断工具

       eclipse MAT可用于分析由jmap命令导出的Java堆快照。它包括两个相对比较重要的视图，分别为直方图和支配树。直方图展示了各个类的实例数目以及这些实例的Shallow heap或Retained heap的总和。支配树则展示了快照中每个对象所直接支配的对象。Java Mission Control是Java虚拟机平台上的性能监控工具。Java Flight Recorder是JMC的其中一个组件，能够以极低的性能开销收集Java虚拟机的性能数据。JFR的启用方式有三种，分别为在命令行中使用-XX:StartFlightRecording=参数，使用jcmd的JFR.*子命令，以及JMC的JFR插件。JMC能够加载JFR的输出结果，并且生成各种信息丰富的图表。

2.JNI运行机制

       Java中的native方法的链接方式主要有两种。一是按照JNI的默认规范命名所要链接的C函数，并依赖于Java虚拟机自动链接。另一种则是在C代码中主动链接。JNI提供了一系列API来允许C代码使用Java语言特性。这些API不仅使用了特殊的数据结构来表示Java类，还拥有特殊的异常处理模式。JNI中的引用可分为局部引用和全局引用。这两者都可以阻止垃圾回收器回收被引用的Java对象。不同的是，局部引用在native方法调用返回之后便会失效。传入参数以及大部分JNI API函数的返回值都属于局部引用。
       我们可以通过Java agent的类加载拦截功能，修改某个类所对应的byte数组，并利用这个修改过后的byte数组完成接下来的类加载。基于字节码注入的profiler，可以统计程序运行过程中某些行为的出现次数。如果需要收集Java核心类库的数据，那么我们需要小心避免无限递归调用。另外，我们还需通过自定义类加载器来解决命名空间的问题。由于字节码注入会产生观察者效应，因此基于该技术的profiler所收集到的数据并不能反映程序的真实运行状态。它所反映的是程序在被注入的情况下的执行状态。

3.用Java编译Java

       GraalVM是一个高性能的、支持多种编程语言的执行环境。它既可以在传统的OpenJDK上运行，也可以通过AOT（Ahead-Of- Time）编译成可执行文件单独运行，甚至可以集成至数据库中运行。除此之外，它还移除了编程语言之间的边界，并且支持通过即时编译技术，将混杂了不同的编程语言的代码编译到同一段二进制码之中，从而实现不同语言之间的无缝切换。Graal是一个用Java写就的、并能够将Java字节码转换成二进制码的即时编译器。它通过JVMCI与Java虚拟机交互，响应由后者发出的编译请求、完成编译并部署编译结果。对Java程序而言，Graal编译结果的性能略优于OpenJDK中的C2；对Scala程序而言，它的性能优势可达到10%（企业版甚至可以达到20%！）。这背后离不开Graal所采用的激进优化方式。
Truffle是一个语言实现框架，允许语言开发者在仅实现词法解析、语法解析以及AST解释器的情况下，达到极佳的性能。目前Oracle
       Labs已经实现并维护了JavaScript、Ruby、R、Python以及可用于解析LLVMbitcode的Sulong。后者将支持在GraalVM上运行C/C++代码。Truffle背后所依赖的技术是Partial Evaluation以及节点重写。Partial Evaluation指的是将所要编译的目标程序解析生成的抽象语法树当做编译时常量，特化该Truffle语言的解释器，从而得到指代这段程序解释执行过程的Java代码。然后，我们可以借助Graal编译器将这段Java代码即时编译为机器码。节点重写则是收集AST节点的类型，根据所收集的类型profile进行的特化，并在节点类型不匹配时进行去优化并重新收集、编译的一项技术。Truffle的Polyglot特性支持在一段代码中混用多种不同的语言。与其他Polyglot框架相比，它支持在不同的Truffle语言中复用内存中存储的同一个对象。
       SubstrateVM的设计初衷是提供一个高启动性能、低内存开销，和能够无缝衔接C代码的Java运行时。它是一个独立的运行时，拥有自己的内存管理等组件。SubstrateVM要求所要AOT编译的目标程序是封闭的，即不能动态加载其他类库等。在进行AOT编译时，它会探索所有可能运行到的方法，并全部纳入编译范围之内。SubstrateVM的启动时间和内存开销都非常少，这主要得益于在AOT编译时便已保存了已初始化好的堆快照，并支持从程序入口直接开始运行。作为对比，HotSpot虚拟机在执行main方法前需要执行一系列的初始化操作，因此启动时间和内存开销都要远大于运行在SubstrateVM上的程序。

Metropolis项目将运用SubstrateVM项目，逐步地将HotSpot虚拟机中的C++代码替换成Java代码，从而提升HotSpot虚拟机的可维护性，也加快新Java功能的开发效率。