虚拟机设计与实现以JVM为例

第 一部分 虚拟机基础

第 1章 虚拟机简介　2

1.1 虚拟机类型　2

1.2 为什么需要虚拟机　3

1.3 虚拟机示例　4

1.3.1 JavaScript引擎　4

1.3.2 Perl引擎　5

1.3.3 Android Java VM　5

1.3.4 Apache Harmony　6

第 2章 虚拟机内部组成　7

2.1 虚拟机核心组件　7

2.1.1 加载器与动态链接器　7

2.1.2 执行引擎　8

2.1.3 内存管理器　8

2.1.4 线程调度器　9

2.1.5 语言扩展　9

2.1.6 传统模型与虚拟机模型　10

2.2 虚拟ISA　11

2.2.1 JVM　12

2.2.2 JVM与CLR　15

第3章 虚拟机中的数据结构　17

3.1 对象与类　17

3.2 对象表示　18

3.3 方法描述　18

第二部分 虚拟机设计

第4章 执行引擎设计　22

4.1 解释器　22

4.1.1 超级指令　23

4.1.2 选择性内联　23

4.2 JIT编译　23

4.2.1 基于方法的JIT　24

4.2.2 基于踪迹的JIT　26

4.2.3 基于区域的JIT　29

4.3 解释器与JIT编译器的关系　30

4.4 AOT编译　31

4.5 编译时与运行时　33

第5章 垃圾回收设计　37

5.1 对象生存期　37

5.2 引用计数　38

5.3 对象追踪　40

5.4 RC与对象追踪　42

5.5 GC安全点　43

5.6 常用追踪GC算法　45

5.6.1 标记清除　46

5.6.2 追踪复制　46

5.7 常用追踪GC变体　48

5.7.1 标记压缩　48

5.7.2 滑动压缩　48

5.7.3 追踪转发　49

5.7.4 标记复制　50

5.7.5 分代式GC　50

5.8 移动式GC与非移动式GC　53

5.8.1 数据局部性　53

5.8.2 跳增指针分配　53

5.8.3 空闲列表与分配位图　53

5.8.4 离散大小列表　54

5.8.5 标记位与分配位　54

5.8.6 线程局部分配　55

5.8.7 移动式GC与非移动式GC的混合　56

第6章 线程设计　58

6.1 什么是线程　58

6.2 内核线程与用户线程　59

6.3 VM线程到OS线程的映射　61

6.4 同步构件　63

6.5 monitor　65

6.5.1 互斥　65

6.5.2 条件变量　66

6.5.3 monitorenter　66

6.5.4 monitorexit　69

6.5.5 Object.wait()　71

6.5.6 Object.notify()　71

6.6 原子　73

6.7 monitor与原子　75

6.7.1 阻塞与非阻塞　75

6.7.2 中央控制点　75

6.7.3 锁与非锁　75

6.7.4 非阻塞之上的阻塞　76

6.8 回收器与修改器　77

6.9 线程局部数据　78

6.10 GC的线程暂停支持　81

6.10.1 GC安全点　81

6.10.2 GC安全区域　83

6.10.3 基于锁的安全点　86

6.10.4 回收中的线程交互　87

第三部分 虚拟机内部支持

第7章 本地接口　92

7.1 为何需要本地接口　92

7.2 从托管代码到本地代码的转换　93

7.2.1 本地方法封装　94

7.2.2 封装代码的GC支持　96

7.2.3 封装代码的同步支持　98

7.3 本地方法实现的绑定　99

7.4 本地代码到托管代码的转换　99

7.5 本地代码到本地代码的转换　102

7.5.1 通过JNI API的本地到本地转换　102

7.5.2 为什么在本地到本地转换中使用JNI API　105

第8章 栈展开　107

8.1 为何需要栈展开　107

8.2 Java方法帧的栈展开　108

8.2.1 栈展开设计　108

8.2.2 栈展开实现　110

8.3 本地方法帧的栈展开　112

8.3.1 栈展开设计　112

8.3.2 Java到本地封装设计　114

8.3.3 栈展开实现　116

8.3.4 本地帧与C帧　117

第9章 垃圾回收支持　119

9.1 为何需要垃圾回收支持　119

9.2 在Java代码中支持垃圾回收　121

9.2.1 GC-map　121

9.2.2 带寄存器的栈展开　124

9.3 在本地代码中支持垃圾回收　126

9.3.1 对象引用访问　127

9.3.2 对象句柄实现　129

9.3.3 GC安全性维护　132

9.3.4 对象体访问　133

9.3.5 对象分配　135

9.4 在同步方法中支持垃圾回收　136

9.4.1 同步Java方法　136

9.4.2 同步本地方法　138

9.5 Java与本地代码转换中的GC支持　140

9.5.1 本地到Java　140

9.5.2 Java到本地　142

9.5.3 本地到本地　142

9.6 全局根集　144

第 10章 运行时辅助　145

10.1 为何需要运行时辅助　145

10.2 带运行时辅助的VM服务设计　147

10.2.1 运行时辅助操作　147

10.2.2 运行时辅助实现　148

10.2.3 JNI API作为运行时辅助　150

10.3 没有运行时辅助的VM服务设计　151

10.3.1 运行时辅助的快速路径　153

10.3.2 快速路径VM服务编程　154

10.4 主要VM服务　154

第 11章 异常抛出　157

11.1 保存异常抛出上下文　157

11.1.1 VM保存的上下文　158

11.1.2 Linux中OS保存的上下文　158

11.1.3 Windows中OS保存的上下文　159

11.1.4 同步与异步异常　160

11.2 本地代码内与跨本地代码异常处理　161

11.2.1 本地代码内的异常处理　161

11.2.2 带异常Java代码返回到本地代码　162

11.2.3 带异常的本地代码返回到Java代码　166

11.3 保存栈轨迹　167

11.4 找到异常处理器　169

11.5 控制转移　172

11.5.1 控制转移操作　172

11.5.2 用于控制转移的寄存器　173

11.5.3 数据寄存器恢复　174

11.5.4 控制寄存器修正　176

11.5.5 执行恢复　176

11.5.6 未捕获异常　179

第 12章 终结与弱引用　180

12.1 终结　180

12.2 为何需要弱引用　182

12.3 对象生存期状态　184

12.3.1 对象状态转换　185

12.3.2 引用队列　187

12.3.3 引用对象状态转换　187

12.4 引用对象实现　189

12.5 引用对象处理顺序　191

第 13章 虚拟机模块化设计　194

13.1 VM组件　194

13.2 对象信息暴露　197

13.3 垃圾回收器接口　199

13.4 执行引擎接口　202

13.5 跨组件优化　203

第四部分 垃圾回收优化

第 14章 针对吞吐量的GC优化　208

14.1 部分堆回收与全堆回收之间的适应性调整　208

14.2 分代式与非分代式算法之间的适应性调整　213

14.3 堆的空间大小的适应性调整　217

14.3.1 空间大小扩展　218

14.3.2 NOS大小　219

14.3.3 部分转发NOS设计　221

14.3.4 半空间NOS设计　221

14.3.5 aged-mature NOS设计　223

14.3.6 回退回收　225

14.4 分配空间之间的适应性调整　225

14.5 大OS页与预取　230

第 15章 针对可扩展性的GC优化　232

15.1 回收阶段　232

15.2 并行对象图遍历　233

15.2.1 任务共享　234

15.2.2 工作偷取　234

15.2.3 任务推送　235

15.3 并行对象标记　238

15.4 并行压缩　239

15.4.1 并行LISP2压缩器　239

15.4.2 对象依赖树　241

15.4.3 带用于转发指针的目标表的压缩器　244

15.4.4 基于对象节的压缩器　246

15.4.5 单趟就地压缩器　247

第 16章 针对响应性的GC优化　249

16.1 区域式GC　249

16.2 并发追踪　252

16.2.1 起始快照　252

16.2.2 增量更新　256

16.2.3 用三色术语表示并发追踪　259

16.2.4 使用读屏障的并发追踪　260

16.3 并发根集枚举　261

16.3.1 并发根集枚举设计　262

16.3.2 在根集枚举过程中追踪堆　265

16.3.3 并发栈扫描　266

16.4 并发回收调度　267

16.4.1 调度并发根集枚举　267

16.4.2 调度并发堆追踪　269

16.4.3 并发回收调度　271

16.4.4 并发回收阶段转换　272

第 17章 并发移动式回收　277

17.1 并发复制：“目标空间不变”　277

17.1.1 基于槽位的“目标空间不变”算法　277

17.1.2 “目标空间不变”性　280

17.1.3 对象转发　282

17.1.4 基于对象的“目标空间不变”算法　283

17.1.5 基于虚拟内存的“目标空间不变”算法　285

17.2 并发复制：“当前副本不变”　286

17.2.1 对象移动风暴　286

17.2.2 “当前副本不变”设计　287

17.2.3 并发复制与并发堆追踪的关系　289

17.3 并发复制：“源空间不变”　292

17.3.1 “源空间不变”设计　292

17.3.2 部分转发“源空间不变”设计　294

17.4 无STW的完整并发移动　295

17.5 并发压缩回收　296

17.5.1 并发区域复制式回收　296

17.5.2 基于虚拟内存的并发压缩　299

第五部分 线程交互优化

第 18章 monitor性能优化　308

18.1 惰性锁　308

18.2 瘦锁　310

18.2.1 瘦锁锁定路径　310

18.2.2 瘦锁解锁路径　313

18.2.3 竞争标志重置支持　316

18.3 胖锁　318

18.3.1 整合monitor数据结构　318

18.3.2 交由OS来支持　319

18.3.3 瘦锁膨胀为胖锁　321

18.3.4 休眠等待被竞争瘦锁　324

18.4 Tasuki锁　327

18.4.1 将同一个胖锁monitor用于竞争控制　327

18.4.2 胖锁收缩为瘦锁　331

18.5 线程局部锁 334

18.5.1 锁保留　335

18.5.2 线程亲密锁　339

第 19章 基于硬件事务内存的设计　346

19.1 硬件事务内存　346

19.1.1 从事务数据库到事务内存　346

19.1.2 Intel的HTM实现　347

19.2 使用HTM的monitor实现　348

19.2.1 基于HTM的monitor的正确性问题　349

19.2.2 基于HTM的monitor的性能问题　352

19.3 使用HTM的并发垃圾回收　355

19.3.1 GC中HTM的机会　355

19.3.2 复制式回收　357

19.3.3 压缩式回收　360

参考文献　364