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借HSDB来探索HotSpot VM的运行时数据

JVM 
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(未经许可请勿转载。希望转载请与我联系。)

(如果打开此页面时浏览器有点卡住的话请耐心等待片刻。大概是ItEye的代码高亮太耗时了…)

几天前在HLLVM群组有人问了个小问题,说
public class Test {
    static Test2 t1 = new Test2();
           Test2 t2 = new Test2();
    public void fn() {
        Test2 t3 = new Test2();     
    }
}

class Test2 {

}

这个程序的t1、t2、t3三个变量本身(而不是这三个变量所指向的对象)到底在哪里。

TL;DR版回答是:
  • t1在存Java静态变量的地方,概念上在JVM的方法区(method area)里
  • t2在Java堆里,作为Test的一个实例的字段存在
  • t3在Java线程的调用栈里,作为Test.fn()的一个局部变量存在


不过就这么简单的回答大家都会,满足不了对JVM的实现感兴趣的同学们的好奇心。说到底,这“方法区”到底是啥?Java堆在哪里?Java线程的调用栈又是啥样的?

那就让我们跑点例子,借助调试器来看看在一个实际运行中的JVM里是啥状况。

(下文中代码也传了一份到https://gist.github.com/rednaxelafx/5392451

=============================================================================

写个启动类来跑上面问题中的代码:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.fn();
    }
}

(编译这个Main.java和上面的Test.java时最好加上-g参数生成LocalVariableTable等调试信息,以便后面某些情况下可以用到)

接下来如无特别说明本文将使用Windows 7 64-bit, Oracle JDK 1.7.0_09 Server VM, Serial GC的环境中运行所有例子。

之前在GreenTeaJUG在杭州的活动演示Serviceability Agent的时候也讲到过这是个非常便于探索HotSpot VM内部实现的API,而HSDB则是在SA基础上包装起来的一个调试器。这次我们就用HSDB来做实验。

SA的一个限制是它只实现了调试snapshot的功能:要么要让被调试的目标进程完全暂停,要么就调试core dump。所以我们在用HSDB做实验前,得先让我们的Java程序运行到我们关注的点上才行。

理想情况下我们会希望让这Java程序停在Test.java的第6行,也就是Test.fn()中t3局部变量已经进入作用域,而该方法又尚未返回的地方。怎样才能停在这里呢?

其实用个Java层的调试器即可。大家平时可能习惯了在Eclipse、IntelliJ IDEA、NetBeans等Java IDE里使用Java层调试器,但为了减少对外部工具的依赖,本文将使用Oracle JDK自带的jdb工具来完成此任务。

jdb跟上面列举的IDE里包含的调试器底下依赖着同一套调试API,也就是Java Platform Debugger Architecture (JPDA)。功能也类似,只是界面是命令行的,表明上看起来不太一样而已。

为了方便后续步骤,启动jdb的时候可以设定让目标Java程序使用serial GC和10MB的Java heap。
启动jdb之后可以用stop in命令在指定的Java方法入口处设置断点,
然后用run命令指定主类名称来启动Java程序,
等跑到断点看看位置是否已经到满足需求,还没到的话可以用step、next之类的命令来向前进。
对jdb命令不熟悉的同学可以在启动jdb之后使用help命令来查看命令列表和说明。

具体步骤如下:
D:\test>jdb -XX:+UseSerialGC -Xmx10m
Initializing jdb ...
> stop in Test.fn
Deferring breakpoint Test.fn.
It will be set after the class is loaded.
> run Main
run  Main
Set uncaught java.lang.Throwable
Set deferred uncaught java.lang.Throwable
>
VM Started: Set deferred breakpoint Test.fn

Breakpoint hit: "thread=main", Test.fn(), line=5 bci=0
5            Test2 t3 = new Test2();

main[1] next

Step completed: > "thread=main", Test.fn(), line=6 bci=8
6        }

main[1] 

按照上述步骤执行完最后一个next命令之后,我们就来到了最初想要的Test.java的第6行,也就是Test.fn()返回前的位置。

接下来把这个jdb窗口放一边,另开一个命令行窗口用jps命令看看我们要调试的Java进程的pid是多少:
D:\test>jps
4328 Main
9064 Jps
7716 TTY

可以看到是4328。把这个pid记下来待会儿用。

然后启动HSDB:
D:\test>java -cp .;%JAVA_HOME%/lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

(要留意Linux和Solaris在Oracle/Sun JDK6就可以使用HSDB了,但Windows上要到Oracle JDK7才可以用HSDB)

启动HSDB之后,把它连接到目标进程上。从菜单里选择File -> Attach to HotSpot process:

在弹出的对话框里输入刚才记下的pid然后按OK:

这会儿就连接到目标进程了:

刚开始打开的窗口是Java Threads,里面有个线程列表。双击代表线程的行会打开一个Oop Inspector窗口显示HotSpot VM里记录线程的一些基本信息的C++对象的内容。

不过这里我们更可能会关心的是线程栈的内存数据。先选择main线程,然后点击Java Threads窗口里的工具栏按钮从左数第2个可以打开Stack Memory窗口来显示main线程的栈:

Stack Memory窗口的内容有三栏:
左起第1栏是内存地址,请让我提醒一下本文里提到“内存地址”的地方都是指虚拟内存意义上的地址,不是“物理内存地址”,请不要弄混了这俩概念;
第2栏是该地址上存的数据,以字宽为单位,本文例子中我是在Windows 7 64-bit上跑64位的JDK7的HotSpot VM,字宽是64位(8字节);
第3栏是对数据的注释,竖线表示范围,横线或斜线连接范围与注释文字。

现在看不懂这个窗口里的数据没关系,先放一边,后面再回过头来看。

现在让我们打开HSDB里的控制台,以便用命令来了解更多信息。
在菜单里选择Windows -> Console:

然后会得到一个空白的Command Line窗口。在里面敲一下回车就会出现hsdb>提示符。
(用过CLHSDB的同学可能会发现这就是把CLHSDB嵌入在了HSDB的图形界面里)

不知道有什么命令可用的同学可以先用help命令看看命令列表。

可以用universe命令来查看GC堆的地址范围和使用情况:
hsdb> universe
Heap Parameters:
Gen 0:   eden [0x00000000fa400000,0x00000000fa4aad68,0x00000000fa6b0000) space capacity = 2818048, 24.831088753633722 used
  from [0x00000000fa6b0000,0x00000000fa6b0000,0x00000000fa700000) space capacity = 327680, 0.0 used
  to   [0x00000000fa700000,0x00000000fa700000,0x00000000fa750000) space capacity = 327680, 0.0 usedInvocations: 0

Gen 1:   old  [0x00000000fa750000,0x00000000fa750000,0x00000000fae00000) space capacity = 7012352, 0.0 usedInvocations: 0

  perm [0x00000000fae00000,0x00000000fb078898,0x00000000fc2c0000) space capacity = 21757952, 11.90770160721009 usedInvocations: 0

这里用的是HotSpot VM的serial GC。GC堆由young gen = DefNewGeneration(包括eden和两个survivor space)、old gen = TenuredGeneration和perm gen = PermGen构成。
其中young gen和old gen构成了这种配置下HotSpot VM里的Java堆(Java heap),而perm gen不属于Java heap的一部分,它存储的主要是元数据或者叫反射信息,主要用于实现JVM规范里的“方法区”概念。

在我们的Java代码里,执行到Test.fn()末尾为止应该创建了3个Test2的实例。它们必然在GC堆里,但都在哪里呢?用scanoops命令来看:
hsdb> scanoops 0x00000000fa400000 0x00000000fc2c0000 Test2
0x00000000fa49a710 Test2
0x00000000fa49a730 Test2
0x00000000fa49a740 Test2

scanoops接受两个必选参数和一个可选参数:必选参数是要扫描的地址范围,一个是起始地址一个是结束地址;可选参数用于指定要扫描什么类型的对象实例。实际扫描的时候会扫出指定的类型及其派生类的实例。

这里可以看到确实扫出了3个Test2的实例。内容有两列:左边是对象的起始地址,右边是对象的实际类型。
从它们所在的地址,对照前面universe命令看到的GC堆的地址范围,可以知道它们都在eden里。
通过whatis命令可以进一步知道它们都在eden之中分配给main线程的thread-local allocation buffer (TLAB)中:
hsdb> whatis 0x00000000fa49a710
Address 0x00000000fa49a710: In thread-local allocation buffer for thread "main" (1)  [0x00000000fa48f490,0x00000000fa49a750,0x00000000fa49d118)
 
hsdb> whatis 0x00000000fa49a730
Address 0x00000000fa49a730: In thread-local allocation buffer for thread "main" (1)  [0x00000000fa48f490,0x00000000fa49a750,0x00000000fa49d118)
 
hsdb> whatis 0x00000000fa49a740
Address 0x00000000fa49a740: In thread-local allocation buffer for thread "main" (1)  [0x00000000fa48f490,0x00000000fa49a750,0x00000000fa49d118)
 
hsdb> 


还可以用inspect命令来查看对象的内容:
hsdb> inspect 0x00000000fa49a710
instance of Oop for Test2 @ 0x00000000fa49a710 @ 0x00000000fa49a710 (size = 16)
_mark: 1

可见一个Test2的实例要16字节。因为Test2类没有任何Java层的实例字段,这里就没有任何Java实例字段可显示。不过本来这里还应该显示一行:
_metadata._compressed_klass: InstanceKlass for Test2 @ 0x00000000fb078608

不幸因为这个版本的HotSpot VM里带的SA有bug所以没显示出来。此bug在新版里已修。

还想看到更裸的数据的同学可以用mem命令来看实际内存里的数据长啥样:
hsdb> mem 0x00000000fa49a710 2
0x00000000fa49a710: 0x0000000000000001 
0x00000000fa49a718: 0x00000000fb078608 

mem命令接受的两个参数都必选,一个是起始地址,另一个是以字宽为单位的“长度”。我们知道一个Test2实例有16字节,所以给定长度为2来看。

上面的数字都是啥来的呢?
0x00000000fa49a710:  _mark:                        0x0000000000000001 
0x00000000fa49a718:  _metadata._compressed_klass:  0xfb078608
0x00000000fa49a71c:  (padding):                    0x00000000

一个Test2的实例包含2个给VM用的隐含字段作为对象头,和0个Java字段。
对象头的第一个字段是mark word,记录该对象的GC状态、同步状态、identity hash code之类的多种信息。
对象头的第二个字段是个类型信息指针,klass pointer。这里因为默认开启了压缩指针,所以本来应该是64位的指针存在了32位字段里。
最后还有4个字节是为了满足对齐需求而做的填充(padding)。
以前在另一帖里也介绍过这部分内容,可以参考:借助HotSpot SA来一窥PermGen上的对象

顺带发张Inspector的截图来展示HotSpot VM里描述Test2类的VM对象长啥样吧。
在菜单里选Tools -> Inspector,在地址里输入前面看到的klass地址:

InstanceKlass存着Java类型的名字、继承关系、实现接口关系,字段信息,方法信息,运行时常量池的指针,还有内嵌的虚方法表(vtable)、接口方法表(itable)和记录对象里什么位置上有GC会关心的指针(oop map)等等。

留意到这个InstanceKlass是给VM内部用的,并不直接暴露给Java层;InstanceKlass不是java.lang.Class的实例。
在HotSpot VM里,java.lang.Class的实例被称为“Java mirror”,意思是它是VM内部用的klass对象的“镜像”,把klass对象包装了一层来暴露给Java层使用。
在InstanceKlass里有个_java_mirror字段引用着它对应的Java mirror,而mirror里也有个隐藏字段指向其对应的InstanceKlass。
所以当我们写obj.getClass(),在HotSpot VM里实际上经过了两层间接引用才能找到最终的Class对象:
obj->_klass->_java_mirror


在Oracle JDK7之前,Oracle/Sun JDK的HotSpot VM把Java类的静态变量存在InstanceKlass结构的末尾;从Oracle JDK7开始,为了配合PermGen移除的工作,Java类的静态变量被挪到Java mirror(Class对象)的末尾了。
还有就是,在JDK7之前Java mirror存放在PermGen里,而从JDK7开始Java mirror默认也跟普通Java对象一样先从eden开始分配而不放在PermGen里。到JDK8则进一步彻底移除了PermGen,把诸如klass之类的元数据都挪到GC堆之外管理,而Java mirror的处理则跟JDK7一样。

=============================================================================

前面对HSDB的操作和HotSpot VM里的一些内部数据结构有了一定的了解,现在让我们回到主题:找指针!

HotSpot VM内部使用直接指针来实现Java引用。在64位环境中有可能启用“压缩指针”的功能把64位指针压缩到只用32位来存。压缩指针与非压缩指针直接有非常简单的1对1对应关系,前者可以看作后者的特例。

于是我们要找t1、t2、t3这三个变量,等同于找出存有指向上述3个Test2实例的地址的存储位置。

不嫌麻烦的话手工扫描内存去找也能找到,不过幸好HSDB内建了revptrs命令,可以找出“反向指针”——如果a变量引用着b对象,那么从b对象出发去找a变量就是找一个“反向指针”。

先拿第一个Test2的实例试试看:
hsdb> revptrs 0x00000000fa49a710
Computing reverse pointers...
Done.
null
Oop for java/lang/Class @ 0x00000000fa499b00

还真的找到了一个包含指向Test2实例的指针,在一个java.lang.Class的实例里。
用whatis命令来看看这个Class对象在哪里:
hsdb> whatis 0x00000000fa499b00
Address 0x00000000fa499b00: In thread-local allocation buffer for thread "main" (1)  [0x00000000fa48f490,0x00000000fa49a750,0x00000000fa49d118)
 

可以看到这个Class对象也在eden里,具体来说在main线程的TLAB里。

这个Class对象是如何引用到Test2的实例的呢?再用inspect命令:
hsdb> inspect 0x00000000fa499b00
instance of Oop for java/lang/Class @ 0x00000000fa499b00 @ 0x00000000fa499b00 (size = 120)
<<Reverse pointers>>: 
t1: Oop for Test2 @ 0x00000000fa49a710 Oop for Test2 @ 0x00000000fa49a710

可以看到,这个Class对象里存着Test类的静态变量t1,指向着第一个Test2实例。

成功找到t1了!这个有点特别,本来JVM规范里也没明确规定静态变量要存在哪里,通常认为它应该在概念中的“方法区”里;但现在在JDK7的HotSpot VM里它实质上也被放在Java heap里了。可以把这种特例看作是HotSpot VM把方法区的一部分数据也放在Java heap里了。
前面也已经提过,在JDK7之前的Oracle/Sun JDK里的HotSpot VM把静态变量存在InstanceKlass末尾,存在PermGen里。那个时候的PermGen更接近于完整的方法区一些。

关于PermGen移除计划的一些零星笔记可以参考我以前一老帖

再接再厉,用revptrs看看第二个Test2实例有谁引用:
hsdb> revptrs 0x00000000fa49a730
Oop for Test @ 0x00000000fa49a720

找到了一个Test实例。同样用whatis来看看它在哪儿:
hsdb> whatis 0x00000000fa49a720
Address 0x00000000fa49a720: In thread-local allocation buffer for thread "main" (1)  [0x00000000fa48f490,0x00000000fa49a750,0x00000000fa49d118)
 

果然也在main线程的TLAB里。
然后看这个Test实例的内容:
hsdb> inspect 0x00000000fa49a720
instance of Oop for Test @ 0x00000000fa49a720 @ 0x00000000fa49a720 (size = 16)
<<Reverse pointers>>: 
_mark: 1
t2: Oop for Test2 @ 0x00000000fa49a730 Oop for Test2 @ 0x00000000fa49a730

可以看到这个Test实例里有个成员字段t2,指向了第二个Test2实例。

于是t2也找到了!在Java堆里,作为Test的实例的成员字段存在。

那么赶紧试试用revptrs命令看第三个Test2实例:
hsdb> revptrs 0x00000000fa49a740
null

啥?没找到?!SA这也太弱小了吧。明明就在那里…
回头我会做个补丁让新版HotSpot VM的SA能处理这种情况。

这个时候的HSDB界面全貌:


0x00000000fa49a740看起来有没有点眼熟?
回到前面打开的Stack Memory窗口看,仔细看会发现那个窗口里正好就有0x00000000fa49a740这数字,位于0x000000000287f858地址上。

实际情况是,下面这张图里红色框住的部分就是main线程上Test.fn()的调用对应的栈帧:

如果图里看得不清楚的话,我再用文字重新写一遍(两道横线之间的是Test.fn()的栈帧内容,前后的则是别的东西):
0x000000000287f7f0: 0x0000000002886298 
0x000000000287f7f8: 0x0000000002893ca5 
0x000000000287f800: 0x0000000002893ca5 
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Stack frame for Test.fn() @bci=8, line=6, pc=0x0000000002893ca5, methodOop=0x00000000fb077f78 (Interpreted frame)
0x000000000287f808: 0x000000000287f808 expression stack bottom          <- rsp
0x000000000287f810: 0x00000000fb077f58 bytecode pointer    = 0x00000000fb077f50 (base) + 8 (bytecode index) in PermGen
0x000000000287f818: 0x000000000287f860 pointer to locals
0x000000000287f820: 0x00000000fb078360 constant pool cache = ConstantPoolCache for Test in PermGen
0x000000000287f828: 0x0000000000000000 method data oop     = null
0x000000000287f830: 0x00000000fb077f78 method oop          = Method for Test.fn()V in PermGen
0x000000000287f838: 0x0000000000000000 last Java stack pointer (not set)
0x000000000287f840: 0x000000000287f860 old stack pointer (saved rsp)
0x000000000287f848: 0x000000000287f8a8 old frame pointer (saved rbp)    <- rbp
0x000000000287f850: 0x0000000002886298 return address      = in interpreter codelet "return entry points" [0x00000000028858b8, 0x00000000028876c0)  7688 bytes
0x000000000287f858: 0x00000000fa49a740 local[1] "t3"       = Oop for Test2 in NewGen
0x000000000287f860: 0x00000000fa49a720 local[0] "this"     = Oop for Test in NewGen
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
0x000000000287f868: 0x000000000287f868 
0x000000000287f870: 0x00000000fb077039 
0x000000000287f878: 0x000000000287f8c0 
0x000000000287f880: 0x00000000fb077350 
0x000000000287f888: 0x0000000000000000 
0x000000000287f890: 0x00000000fb077060 
0x000000000287f898: 0x000000000287f860 
0x000000000287f8a0: 0x000000000287f8c0 
0x000000000287f8a8: 0x000000000287f9a0 
0x000000000287f8b0: 0x000000000288062a 
0x000000000287f8b8: 0x00000000fa49a720 
0x000000000287f8c0: 0x00000000fa498ea8 
0x000000000287f8c8: 0x0000000000000000 
0x000000000287f8d0: 0x0000000000000000 
0x000000000287f8d8: 0x0000000000000000 


回顾JVM规范里所描述的Java栈帧结构,包括:
[ 操作数栈  (operand stack)   ]
[ 栈帧信息  (dynamic linking) ]
[ 局部变量区 (local variables) ]


上张我以前做的投影稿里的图:


再跟HotSpot VM的解释器所使用的栈帧布局对比看看,是不是正好能对应上?局部变量区(locals)有了,VM所需的栈帧信息也有了;执行到这个位置operand stack正好是空的所以看不到它。
(HotSpot VM里把operand stack叫做expression stack。这是因为operand stack通常只在表达式求值过程中才有内容)

从Test.fn()的栈帧中我们可以看到t3变量就在locals[1]的位置上。t3变量也找到了!大功告成!

栈帧信息里具体都是些啥,以后有机会再展开讲吧。

都看到这里了,干脆把main方法的栈帧也如法炮制分析一下。先上图:

然后再用文字写一次:
0x000000000287f7f0: 0x0000000002886298 
0x000000000287f7f8: 0x0000000002893ca5 
0x000000000287f800: 0x0000000002893ca5 
0x000000000287f808: 0x000000000287f808 
0x000000000287f810: 0x00000000fb077f58 
0x000000000287f818: 0x000000000287f860 
0x000000000287f820: 0x00000000fb078360 
0x000000000287f828: 0x0000000000000000 
0x000000000287f830: 0x00000000fb077f78 
0x000000000287f838: 0x0000000000000000 
0x000000000287f840: 0x000000000287f860 
0x000000000287f848: 0x000000000287f8a8 
0x000000000287f850: 0x0000000002886298 
0x000000000287f858: 0x00000000fa49a740 
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Stack frame for Main.main(java.lang.String[]) @bci=9, line=4, pc=0x0000000002886298, methodOop=0x00000000fb077060 (Interpreted frame)
0x000000000287f860: 0x00000000fa49a720 expression stack[0] = Oop for Test in NewGen
0x000000000287f868: 0x000000000287f868 expression stack bottom
0x000000000287f870: 0x00000000fb077039 bytecode pointer    = 0x00000000fb077030 (base) + 9 (bytecode index) in PermGen
0x000000000287f878: 0x000000000287f8c0 pointer to locals
0x000000000287f880: 0x00000000fb077350 constant pool cache = ConstantPoolCache for Main in PermGen
0x000000000287f888: 0x0000000000000000 method data oop     = null
0x000000000287f890: 0x00000000fb077060 method oop          = Method for Main.main([Ljava/lang/String;)V in PermGen
0x000000000287f898: 0x000000000287f860 last Java stack pointer
0x000000000287f8a0: 0x000000000287f8c0 old stack pointer
0x000000000287f8a8: 0x000000000287f9a0 old frame pointer
0x000000000287f8b0: 0x000000000288062a return address      = in StubRoutines
0x000000000287f8b8: 0x00000000fa49a720 local[1] "test"     = Oop for Test in NewGen
0x000000000287f8c0: 0x00000000fa498ea8 local[0] "args"     = Oop for java.lang.String[] in NewGen
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
0x000000000287f8c8: 0x0000000000000000 
0x000000000287f8d0: 0x0000000000000000 
0x000000000287f8d8: 0x0000000000000000 

main的栈帧的operand stack就不是空的了,有一个元素,用来传递参数给其调用的Test.fn()方法(作为“this”)。
仔细的同学可能发现了,0x000000000287f860这个地址前面不是说是调用Test.fn()产生的栈帧么?怎么这里又变成调用main()方法的栈帧的一部分了呢?

其实栈帧直接可以有重叠:(再上一张以前做的投影稿里的图)

这样可以减少传递参数所需的数据拷贝,也节省了空间。


回到HSDB,我们换个方式来把t3变量找出来。这里就需要编译Test.java时给的-g参数所生成的LocalVariableTable的信息了:
hsdb> jseval "ts = jvm.threads"
[Thread (address=0x00000000fa48fb38, name=Service Thread), Thread (address=0x00000000fa48fa18, name=C2 CompilerThread1), Thread (address=0x00000000fa48f8f8, name=C2 CompilerThread0), Thread (address=0x00000000fa49d178, name=JDWP Command Reader), Thread (address=0x00000000fa48f820, name=JDWP Event Helper Thread), Thread (address=0x00000000fa48f6d8, name=JDWP Transport Listener: dt_shmem), Thread (address=0x00000000fa48dc88, name=Attach Listener), Thread (address=0x00000000fa48db68, name=Signal Dispatcher), Thread (address=0x00000000fa405828, name=Finalizer), Thread (address=0x00000000fa4053a0, name=Reference Handler), Thread (address=0x00000000fa404860, name=main)] 
hsdb> jseval "t = ts[ts.length - 1]"
Thread (address=0x00000000fa404860, name=main) 
hsdb> jseval "fs = t.frames"
[Frame (method=Test.fn(), bci=8, line=6), Frame (method=Main.main(java.lang.String[]), bci=9, line=4)] 
hsdb> jseval "f0 = fs[0]"
Frame (method=Test.fn(), bci=8, line=6) 
hsdb> jseval "f1 = fs[1]"
Frame (method=Main.main(java.lang.String[]), bci=9, line=4) 
hsdb> jseval "f0.locals"
{t3=Object 0x00000000fa49a740} 
hsdb> 


=============================================================================

上面讲栈帧布局的时候出现了“bytecode pointer”字眼。既然之前被不少好奇的同学问过“JVM里字节码存在哪里”,这里就一并回答掉好了。

强调一点:“字节码”只是元数据的一部分。它只负责描述运行逻辑,而其它信息像是类型名、成员的个数、类型、名字等等都不是字节码。在Class文件里是如此,到运行时在JVM里仍然是如此。

HotSpot VM里有一套对象专门用来存放元数据,它们包括:
  • Klass系对象。元数据的最主要入口。用于描述类型的总体信息
  • ConstantPool/ConstantPoolCache对象。每个InstanceKlass关联着一个ConstantPool,作为该类型的运行时常量池。这个常量池的结构跟Class文件里的常量池基本上是对应的。可以参考我以前的一个回帖。ConstantPoolCache主要用于存储某些字节码指令所需的解析(resolve)好的常量项,例如给[get|put]static、[get|put]field、invoke[static|special|virtual|interface|dynamic]等指令对应的常量池项用。
  • Method对象,用来描述Java方法的总体信息,像是方法入口地址、调用/循环计数器等等
  • ConstMethod对象,记录着Java方法的不变的描述信息,包括方法名、方法的访问修饰符、字节码、行号表、局部变量表等等。注意了,字节码就嵌在这ConstMethod对象里面。
  • Symbol对象,对应Class文件常量池里的JVM_CONSTANT_Utf8类型的常量。有一个VM全局的SymbolTable管理着所有Symbol。Symbol由所有Java类所共享。
  • MethodData对象,记录着Java方法执行时的profile信息,例如某方法里的某个字节码之类是否从来没遇到过null,某个条件跳转是否总是走同一个分支,等等。这些信息在解释器(多层编译模式下也在低层的编译生成的代码里)收集,然后供给HotSpot Server Compiler用于做激进优化。


在PermGen移除前,上述元数据对象都在PermGen里,直接被GC管理着。
JDK8彻底移除PermGen后,这些对象被挪到GC堆外的一块叫做Metaspace的空间里做特殊管理,仍然间接的受GC管理。

介绍了背景,让我们回到HSDB里。前面不是说“bytecode pointer (bcp)”嘛,从背景介绍可以知道字节码存在ConstMethod对象里,那就让我们用Test.fn()栈帧里存的bcp来验证一下是否真的如此。
还是用whatis命令:
hsdb> whatis 0x00000000fb077f58
Address 0x00000000fb077f58: In perm generation   perm [0x00000000fae00000,0x00000000fb078898,0x00000000fc2c0000) space capacity = 21757952, 11.90770160721009 used 

这地址确实在PermGen里了。那么inspect一下看看?
hsdb> inspect 0x00000000fb077f58
Error: sun.jvm.hotspot.debugger.UnalignedAddressException: 100011

呃,这样不行。inspect命令只能接受对象的起始地址,但字节码是嵌在ConstMethod对象中间的。

那换条路子。栈帧里还有method oop,指向该栈帧对应的Method对象。先从它入手:
hsdb> inspect 0x00000000fb077f78
instance of Method fn()V@0x00000000fb077f78 @ 0x00000000fb077f78 @ 0x00000000fb077f78 (size = 136)
_mark: 1
_constMethod: ConstMethod fn()V@0x00000000fb077f08 @ 0x00000000fb077f08 Oop @ 0x00000000fb077f08
_constants: ConstantPool for Test @ 0x00000000fb077c68 Oop @ 0x00000000fb077c68
_method_size: 17
_max_stack: 2
_max_locals: 2
_size_of_parameters: 1
_access_flags: 1

这样就找到了Test.fn()的Method对象,看到里面的_constMethod字段所指向的ConstMethod对象:
hsdb> inspect 0x00000000fb077f08
instance of ConstMethod fn()V@0x00000000fb077f08 @ 0x00000000fb077f08 @ 0x00000000fb077f08 (size = 112)
_mark: 1
_method: Method fn()V@0x00000000fb077f78 @ 0x00000000fb077f78 Oop @ 0x00000000fb077f78
_exception_table: [I @ 0x00000000fae01d50 Oop for [I @ 0x00000000fae01d50
_constMethod_size: 14
_flags: 5
_code_size: 9
_name_index: 18
_signature_index: 12
_generic_signature_index: 0
_code_size: 9

这个ConstMethod对象从0x00000000fb077f08开始,长度112字节,也就是这个对象的范围是[0x00000000fb077f08, 0x00000000fb077f78)。bcp指向0x00000000fb077f58,确实在这个ConstMethod范围内。

通过经验可以知道实际上这里字节码的起始地址是0x00000000fb077f50。经验就是:字节码是ConstMethod内嵌的第一个变长表,紧帖在ConstMethod的最后一个显式C++字段后面。所以只要知道sizeof(constMethodOopDesc),字节码就会从这个偏移量开始。
通过ConstMethod的_code_size字段可以知道该方法的字节码有9字节。找出来用mem命令看看内存里的数据:
hsdb> mem 0x00000000fb077f50 2
0x00000000fb077f50: 0x4c0001b7590200ca 
0x00000000fb077f58: 0x00000000004105b1 


这串数字是什么东西呢?展开来写清楚一点就是:
0x00000000fb077f50:  bb 00 02  new <cp index #2> [Class Test2]
0x00000000fb077f53:  59        dup
0x00000000fb077f54:  b7 01 00  invokespecial <cp cache index #1> [Method Test2.<init>()V]
0x00000000fb077f57:  4c        astore_1
0x00000000fb077f58:  b1        return


眼尖的同学要吐槽了:在0x00000000fb077f50的字节不是0xca么,怎么变成0xbb了?
其实0xca是JVM规范里有描述的一个可选字节码指令,breakpoint
0x00000000fb077f50:  ca 00 02  breakpoint // 00 02 not used

还记得本文的实验一开始用了jdb在Test.fn()的入口设置了断点吗?这就是结果——入口处的字节码指令被改写为breakpoint了。当然,原本的字节码指令也还在别的地方存着,等断点解除之后这个位置就会被恢复成原本的0xbb指令。

把ConstMethod里存的字节码跟Class文件里存的比较一下看看。用javap工具来看Class文件的内容:
  public void fn();
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0:  bb 00 02  new           #2                  // class Test2
         3:  59        dup
         4:  b7 00 03  invokespecial #3                  // Method Test2."<init>":()V
         7:  4c        astore_1
         8:  b1        return

几乎一模一样。唯一的不同也是个有趣的小细节:invokespecial的参数的常量池号码不一样了。HotSpot VM执行new指令的时候用的还是Class文件里的常量池号和字节序。而在执行invokespecial时,光是ConstantPool里的的常量项不够地方放解析(resolve)出来的信息,所以把这些信息放在ConstantPoolCache里,然后也把invokespecial指令里的参数改写过来,顺带变成了平台相关的字节序。

同样也看看Main.main()方法。内存内容:
hsdb> mem 0x00000000fb077030 2
0x00000000fb077030: 0x4c0001b7590200bb 
0x00000000fb077038: 0x214103b10002b62b 

展开来注解:
0x00000000fb077030:  bb 00 02  new <cp index #2> [Class Test]
0x00000000fb077033:  59        dup
0x00000000fb077034:  b7 01 00  invokespecial <cp cache index #1> [Method Test.<init>()V]
0x00000000fb077037:  4c        astore_1
0x00000000fb077038:  2b        aload_1
0x00000000fb077039:  b6 02 00  invokevirtual <cp cache index #2> [Method Test.fn()V]
0x00000000fb07703c:  b1        return

对应的javap输出:
  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0:  bb 00 02  new           #2                  // class Test
         3:  59        dup
         4:  b7 00 03  invokespecial #3                  // Method Test."<init>":()V
         7:  4c        astore_1
         8:  2b        aload_1
         9:  b6 00 04  invokevirtual #4                  // Method Test.fn:()V
        12:  b1        return


好,今天就写到这里吧~
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评论
14 楼 oooyooo 2013-10-23  
oooyooo 写道
oooyooo 写道
C:\Program Files\Java\jdk1.7.0_45\lib>java -cp ./sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

Exception in thread "Thread-1" java.lang.UnsatisfiedLinkError: Can't load librar
y: C:\Program Files\Java\jre7\bin\sawindbg.dll
        at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(Unknown Source)
        at java.lang.Runtime.load0(Unknown Source)
        at java.lang.System.load(Unknown Source)
        at sun.jvm.hotspot.debugger.windbg.WindbgDebuggerLocal.<clinit>(WindbgDe
buggerLocal.java:651)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebuggerWin32(HotSpotAgent.java:521
)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebugger(HotSpotAgent.java:336)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.go(HotSpotAgent.java:313)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.attach(HotSpotAgent.java:157)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB.attach(HSDB.java:1168)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB.access$1700(HSDB.java:53)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB$25$1.run(HSDB.java:436)
        at sun.jvm.hotspot.utilities.WorkerThread$MainLoop.run(WorkerThread.java
:66)
        at java.lang.Thread.run(Unknown Source)


我的jdk1.7.0_45里没有sawindbg.dll这个文件,为什么呢?R大有遇到过这种情况吗?

在这个下面找到了,打扰R大了,我再看看。

C:\Program Files\Java\jdk1.7.0_45\jre\bin下面
13 楼 oooyooo 2013-10-23  
oooyooo 写道
C:\Program Files\Java\jdk1.7.0_45\lib>java -cp ./sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

Exception in thread "Thread-1" java.lang.UnsatisfiedLinkError: Can't load librar
y: C:\Program Files\Java\jre7\bin\sawindbg.dll
        at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(Unknown Source)
        at java.lang.Runtime.load0(Unknown Source)
        at java.lang.System.load(Unknown Source)
        at sun.jvm.hotspot.debugger.windbg.WindbgDebuggerLocal.<clinit>(WindbgDe
buggerLocal.java:651)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebuggerWin32(HotSpotAgent.java:521
)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebugger(HotSpotAgent.java:336)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.go(HotSpotAgent.java:313)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.attach(HotSpotAgent.java:157)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB.attach(HSDB.java:1168)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB.access$1700(HSDB.java:53)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB$25$1.run(HSDB.java:436)
        at sun.jvm.hotspot.utilities.WorkerThread$MainLoop.run(WorkerThread.java
:66)
        at java.lang.Thread.run(Unknown Source)


我的jdk1.7.0_45里没有sawindbg.dll这个文件,为什么呢?R大有遇到过这种情况吗?

在这个下面找到了,打扰R大了,我再看看。
12 楼 oooyooo 2013-10-23  
C:\Program Files\Java\jdk1.7.0_45\lib>java -cp ./sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

Exception in thread "Thread-1" java.lang.UnsatisfiedLinkError: Can't load librar
y: C:\Program Files\Java\jre7\bin\sawindbg.dll
        at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(Unknown Source)
        at java.lang.Runtime.load0(Unknown Source)
        at java.lang.System.load(Unknown Source)
        at sun.jvm.hotspot.debugger.windbg.WindbgDebuggerLocal.<clinit>(WindbgDe
buggerLocal.java:651)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebuggerWin32(HotSpotAgent.java:521
)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebugger(HotSpotAgent.java:336)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.go(HotSpotAgent.java:313)
        at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.attach(HotSpotAgent.java:157)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB.attach(HSDB.java:1168)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB.access$1700(HSDB.java:53)
        at sun.jvm.hotspot.HSDB$25$1.run(HSDB.java:436)
        at sun.jvm.hotspot.utilities.WorkerThread$MainLoop.run(WorkerThread.java
:66)
        at java.lang.Thread.run(Unknown Source)


我的jdk1.7.0_45里没有sawindbg.dll这个文件,为什么呢?R大有遇到过这种情况吗?
11 楼 finallygo 2013-09-30  
补充下服务器jvm的版本信息:

java version "1.6.0_24"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_24-b07)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 19.1-b02, mixed mode)
10 楼 finallygo 2013-09-30  
你好,我在使用jdb进行远程调试的时候,没一会儿之后就会出现,远程连接已断开 的提示,这是我哪个地方设置的有问题么? 我服务器配置的参数是:
-agentlib:jdwp=transport=dt_socket,address=localhost:8765,server=y,suspend=n
9 楼 RednaxelaFX 2013-08-14  
woosheep 写道
R大,你的javap怎么做到输出字节码?

像这样0:  bb 00 02  new           #2 

输出bb 00 02?

javap自己是没这个功能的,至少JDK6带的javap没有。
可以参考javap在OpenJDK 6的实现:http://hg.openjdk.java.net/jdk6/jdk6/langtools/file/81689043bd7f/src/share/classes/sun/tools/javap/JavapPrinter.java printInstr()
以及最新的OpenJDK 8的实现:
http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/langtools/file/76cfe7c61f25/src/share/classes/com/sun/tools/javap/CodeWriter.java writeInstr()

我当时发这帖的时候是人肉对着JVM规范和Class文件内容来查出这些字节码对应的字节的。Serviceability Agent里的jdis之类则可以输出字节出来。
8 楼 woosheep 2013-08-14  
R大,你的javap怎么做到输出字节码?

像这样0:  bb 00 02  new           #2 

输出bb 00 02?
7 楼 RednaxelaFX 2013-04-16  
General_PF 写道
RednaxelaFX 写道
ConstantPool/ConstantPoolCache对象。每个InstanceKlass关联着一个ConstantPool,作为该类型的运行时常量池。

这个具体指什么?我看到你的回帖里面贴的图,既有 fieldref,也有 methodref。为什么叫做 constantPool?

回答这个问题最简单精确的办法就是让你去读JVM规范:
首先看4.4 The Constant Pool:http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.4
然后看2.5.5 Run-time Constant Pool:http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-2.html#jvms-2.5.5

General_PF 写道
RednaxelaFX 写道
ConstMethod对象,记录着Java方法的不变的描述信息,包括方法名、方法的访问修饰符、字节码、行号表、局部变量表等等


就是方法的定义是么?

确实是方法的定义。Class文件里记录的方法层面的信息,大部分其实都在ConstMethod对象里。

General_PF 写道
能详细说说 vtable 和 itable 么?

这个可以看HotSpotInternals wiki:
Virtual Calls
Interface Calls
6 楼 RednaxelaFX 2013-04-16  
stefmoon 写道
呵呵,看了下自己的笔记,发现jdis确实有这功能,不怎么用就是记不住。。。话说print这个命令还挺智能,属于见人说人话,见鬼说鬼话的。。。

不知道是人是鬼就直接扔去disassemble了…orz
5 楼 stefmoon 2013-04-16  
RednaxelaFX 写道
stefmoon 写道
CLHSDB没有把二进制逆向生成字节码的功能,只有反汇编的功能,有点可惜。。。还有要是能根据ConstMethod对象直接得到字节码就好了~

其实有的,jdis命令。只不过你要传一个Method地址给它,而不是直接给bytecode pointer。这也很合理,因为正确的decode需要constant pool的信息,随便反汇编一段字节码也没啥用。

另外使用print命令给一个Method地址进去也可以看到字节码。

如果你手上有ConstMethod了的话从它找回holder Method就好了。


呵呵,看了下自己的笔记,发现jdis确实有这功能,不怎么用就是记不住。。。话说print这个命令还挺智能,属于见人说人话,见鬼说鬼话的。。。
4 楼 RednaxelaFX 2013-04-16  
stefmoon 写道
CLHSDB没有把二进制逆向生成字节码的功能,只有反汇编的功能,有点可惜。。。还有要是能根据ConstMethod对象直接得到字节码就好了~

其实有的,jdis命令。只不过你要传一个Method地址给它,而不是直接给bytecode pointer。这也很合理,因为正确的decode需要constant pool的信息,随便反汇编一段字节码也没啥用。

另外使用print命令给一个Method地址进去也可以看到字节码。

如果你手上有ConstMethod了的话从它找回holder Method就好了。
3 楼 feng_jyie 2013-04-16  
很好,不错的文章
2 楼 stefmoon 2013-04-16  
CLHSDB没有把二进制逆向生成字节码的功能,只有反汇编的功能,有点可惜。。。还有要是能根据ConstMethod对象直接得到字节码就好了~
1 楼 General_PF 2013-04-16  
ConstantPool/ConstantPoolCache对象。每个InstanceKlass关联着一个ConstantPool,作为该类型的运行时常量池。

这个具体指什么?我看到你的回帖里面贴的图,既有 fieldref,也有 methodref。为什么叫做 constantPool?

ConstMethod对象,记录着Java方法的不变的描述信息,包括方法名、方法的访问修饰符、字节码、行号表、局部变量表等等

就是方法的定义是么?

能详细说说 vtable 和 itable 么?

谢谢拉。

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    总的来说,HSDB是HotSpot VM的一个强大工具,它提供了丰富的功能来探索和理解JVM的运行时数据,包括内存布局、对象状态以及垃圾收集行为等。熟练掌握HSDB的使用,将极大地提升开发者对Java应用性能调优的能力。

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    本篇文章将深入探讨HotSpot VM的运行时数据结构,以理解标题中提到的`t1`、`t2`和`t3`变量在内存中的存储位置。 首先,我们来看一下给出的Java代码片段: ```java public class Test { static Test2 t1 = new ...

    hllvm.借HSDB来探索HotSpot VM的运行时数据1

    我们将借助HSDB(HotSpot Serviceability Agent的调试器)来探索实际运行时的数据分布,进一步了解JVM的方法区、堆和调用栈。 【标签】:java 【正文】: Java虚拟机(JVM)内存模型将内存分为不同的区域,每个...

    通过HSDB来了解String值的真身在哪里1

    标题中的“通过HSDB来了解String值的真身在哪里1”指的是使用HSDB(HotSpot Serviceability Debugger)工具来探究Java程序中String对象的具体存储位置,特别是关注String的值(字符数组value)在内存的不同区域如何...

    hsdb.zip_源码

    标题中的"hsdb.zip_源码"表明这是一个包含源代码的压缩文件,可能是某个软件或应用的开发资源。"hsdb"可能是项目名或者是开发者自定义的缩写。"zip"是常见的文件压缩格式,用于将多个文件打包在一起,便于传输和存储...

    MEGESTROL ACETATE-HSDB(危险化合物数据库)数据库-toxnet.doc

    MEGESTROL ACETATE-HSDB(危险化合物数据库)数据库-toxnet

    SAS编程与数据挖掘商业案例_姚志勇代码code

    SAS编程与数据挖掘商业案例_姚志勇code data test; input x y z @@; cards; 1 2 3 4 5 6 ; run; proc sql; create view view1 as select * from sashelp.class ; quit; proc format; value fmt 1='a' ; run; %macro ...

    化合物物性查询网站[整理].pdf

    6. 毒性化学物质数据查询:美国国立医学图书馆的毒性化学物质数据(HSDB)提供了化学物质的毒性数据,包括化学物质名称、CAS登记号、同义词、分子式、RTECS号等信息,对于研究物质的毒性具有重要意义。 7. 物质结构...

    Java进阶教程解密JVM视频教程

    4. 了解 Java 内存模型相关知识,见识多线程并发读写共享数据时的问题和 Java 的解决方案。 适应人群 有一定的Java基础,希望提升 Java 内功的人群。 课程亮点 * 系统地学习 JVM 内存结构,垃圾回收、字节码与类...

    复习资料 FPGA.pdf

    - 总线技术:如ARINC429、ARINC629、MIL-STD-1553B和高速数据总线(HSDB)。 - 综合控制显示技术:一体化显示系统。 - 数据融合技术:整合不同传感器数据。 - 机载传感器综合技术:提高传感器性能和集成。 - 隐身...

    jvm 调优建议文档

    - **HSDB的使用**:HotSpot Diagnostic Tool (HSDB) 是一个强大的调试工具,可以帮助开发者诊断和解决问题。 - **常见OOM分析**:OOM (Out Of Memory) 是常见的内存问题之一,通过分析堆转储文件和GC日志,可以定位...

    卡车域控制器系统框图.pdf

    11. **HSDB(高速数据总线)和LSDB(低速数据总线)**:如HSDBTT6050-2ERA、LSDBTT6010-1ERA等,是车辆内部的数据传输通道,用于高速和低速数据的传输。 12. **其他组件**:如B40B40CB2-CB2-CCMCMB2等,可能是各种...

    (2021-2022年收藏)新药研发必看数据库.doc

    其中的HSDB、TOXLINE、ChemIDplus、IRIS、TRI、CCRIS、GENE-TOX和DART/ETIC子数据库分别提供了关于化学物质毒性、文献引用、结构式信息、健康风险评估、排放数据、致癌性研究、基因毒性和发育毒理学的详细资料。...

    工具的聚合、链接及标准化—— XPocket实操演示及解析.pdf

    为了进一步增强性能诊断能力,XPocket还集成了多种常用的调试和分析工具,例如JDB、HSDB、JConsole,以及第三方工具如Doraemon、GCeasy、FastThread和Arthas。这些工具的集成使得开发者可以在一个统一的环境中访问和...

    sawindbg.dll

    解决windows10使用HSDB,sawindbg.dll报错,将该文件放入报错的地方,重复就替换。该文件为64位操作系统的dll。

    xpocket

    使工具开发者只需要关注核心逻辑的开发,并且使XPocket的用户可以以相同的交互作用目前XPocket生态已经实现了HSDB,JDB,JConsole,Perf,Arthas等多个优秀的开源工具的插件化集成,现阶段主要侧重性能领域。...

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