part 6

JVM參數(shù)解析以及Heap初始化過程分析

在create_vm的時候，我們設(shè)置的JVM參數(shù)會被解析出來，然后生成各種策略，比如設(shè)置了 -XX:+UseSerialGC，那么JVM就會適應Serial GC來作為堆的管理者，當然，也就會初始化新生代和老年代，不同的參數(shù)設(shè)置會生成不同的GC策略，JVM參數(shù)眾多，不同參數(shù)之間有可能互相影響，有些參數(shù)可能導致非常詭異的現(xiàn)象，所以在設(shè)置JVM參數(shù)的時候，如果對一個參數(shù)并不是很了解，不要輕易設(shè)置。本文將從JVM參數(shù)解析開始說起，然后會分析一下堆的初始化，分析堆的初始化的過程也就是去分析JVM是如何使用我們設(shè)置的JVM參數(shù)的過程。

JVM參數(shù)解析

Arguments::parse(args)函數(shù)是JVM參數(shù)解析的入口，在thread.cpp里面的create_vm函數(shù)里面可以找到這個函數(shù)調(diào)用，因為JVM可配置的參數(shù)特別多，所以本文不打算將所有的JVM參數(shù)都講一下，下面的文章將只是介紹一下JVM解析參數(shù)的流程，會拿幾個參數(shù)來具體分析其解析的流程；parse_vm_init_args是我比較關(guān)注的函數(shù)，類似于-XX:+UseSerialGC這樣的參數(shù)將在從這里開始進行解析，當然，具體的解析是在parse_each_vm_init_arg里面完成的，所以直接來關(guān)注parse_each_vm_init_arg函數(shù)；下面來看看JVM參數(shù)-Xms，-Xmx以及類似于-XX:+UseConcMarkSweepGC這樣的參數(shù)是怎么解析的。

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-Xms用于設(shè)置堆的最小容量，-Xmx（或者-XX:MaxHeapSize）用于設(shè)置堆的最大容量，如果-Xms設(shè)置的大小和-Xmx一樣大，那么堆就是不可擴展的，否則堆就是可以動態(tài)擴展的；上面的代碼片段就是用來解析-Xms和-Xmx兩個參數(shù)的，解析好的參數(shù)會設(shè)定到相應的全局共享變量中去，比如-Xms就會被設(shè)置到InitialHeapSize中去，-Xmx會設(shè)置到MaxHeapSize中去；這兩個是數(shù)值型的參數(shù)，下面來看一個flag類型的參數(shù)設(shè)置，比如我們使用-XX:+UseConcMarkSweepGC，那么這個參數(shù)是怎么被JVM識別出來的呢？下面來分析一下。

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還是在同樣的函數(shù)里面解析，上面的代碼片段是解析類似-XX:+UseConcMarkSweepGC參數(shù)的入口，parse_argument負責具體的解析工作，下面來看看parse_argument函數(shù)是怎么實現(xiàn)解析這樣的參數(shù)并且設(shè)置到全局變量中去的。parse_argument函數(shù)可以在process_argument中找到；

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圖中標注的就是解析的關(guān)鍵，+%或者-%用于匹配-XX:+UseSerialGC中的+，下面可以看一個實際的啟動時參數(shù)解析例子：

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set_bool_flag會將解析到的flag對應的全局變量設(shè)置為true，可以具體看看set_bool_flag函數(shù)是如何做到這一點的。

static bool set_bool_flag(const char* name, bool value, Flag::Flags origin) {
  if (CommandLineFlags::boolAtPut(name, &value, origin) == Flag::SUCCESS) {
    return true;
  } else {
    return false;
  }
}

Flag::Error CommandLineFlags::boolAtPut(const char* name, size_t len, bool* value, Flag::Flags origin) {
  Flag* result = Flag::find_flag(name, len);
  return boolAtPut(result, value, origin);
}

find_flag將找到對應的flag信息，可以在下面的debug界面中看到找到了我們設(shè)置的flag，找到flag之后會調(diào)用boolAtPut函數(shù)來設(shè)置全局變量：

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Flag::Error CommandLineFlags::boolAtPut(Flag* flag, bool* value, Flag::Flags origin) {
  const char* name;
  if (flag == NULL) return Flag::INVALID_FLAG;
  if (!flag->is_bool()) return Flag::WRONG_FORMAT;
  name = flag->_name;
  Flag::Error check = apply_constraint_and_check_range_bool(name, *value, !CommandLineFlagConstraintList::validated_after_ergo());
  if (check != Flag::SUCCESS) return check;
  bool old_value = flag->get_bool();
  trace_flag_changed<EventBooleanFlagChanged, bool>(name, old_value, *value, origin);
  check = flag->set_bool(*value);
  *value = old_value;
  flag->set_origin(origin);
  return check;
}

在設(shè)置了JVM參數(shù)之后，我們也不知道參數(shù)這樣設(shè)置是否存在問題，或者是否有沖突，但是JVM必須能夠發(fā)現(xiàn)這種沖突，并且及時給出提示，check_vm_args_consistency函數(shù)將完成JVM參數(shù)設(shè)置校驗的工作，比如校驗GC設(shè)置是否合理是通過調(diào)用check_gc_consistency函數(shù)來完成的：

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JVM參數(shù)的解析部分析就到這里，但是還是得說一下，為什么有時候我們什么參數(shù)也不配置，JVM也能運行起來呢？Arguments::apply_ergo()就是做這個工作的，它會進行一些自動的配置來啟動JVM，比如選擇GC等，select_gc就是做這件事情的：

void Arguments::select_gc() {
  if (!gc_selected()) {
    select_gc_ergonomically();
    if (!gc_selected()) {
      vm_exit_during_initialization("Garbage collector not selected (default collector explicitly disabled)", NULL);
    }
  }
}

gc_selected首先判斷是否設(shè)置了GC，判斷條件很簡單：

bool Arguments::gc_selected() {
#if INCLUDE_ALL_GCS
  return UseSerialGC || UseParallelGC || UseParallelOldGC || UseConcMarkSweepGC || UseG1GC;
#else
  return UseSerialGC;
#endif // INCLUDE_ALL_GCS
}

如果沒有設(shè)置，select_gc_ergonomically將選擇一個合適的GC，在java9里面的實現(xiàn)如下：

void Arguments::select_gc_ergonomically() {
  if (os::is_server_class_machine()) {
    if (!UseAutoGCSelectPolicy) {
       FLAG_SET_ERGO_IF_DEFAULT(bool, UseG1GC, true);
    } else {
      if (should_auto_select_low_pause_collector()) {
        FLAG_SET_ERGO_IF_DEFAULT(bool, UseConcMarkSweepGC, true);
        FLAG_SET_ERGO_IF_DEFAULT(bool, UseParNewGC, true);
      } else {
        FLAG_SET_ERGO_IF_DEFAULT(bool, UseParallelGC, true);
      }
    }
  } else {
    FLAG_SET_ERGO_IF_DEFAULT(bool, UseSerialGC, true);
  }
}

選擇的策略和當前JVM的Mode有關(guān)，如果是client模式，則默認選擇SerialGC，這也是Client模式下的最優(yōu)的GC；如果是在Server模式下，那么如果沒有設(shè)置UseAutoGCSelectPolicy的話，就默認使用G1（所以說java9默認的GC是G1），如果設(shè)置了UseAutoGCSelectPolicy，那么根據(jù)should_auto_select_low_pause_collector的結(jié)果來選擇；

bool Arguments::should_auto_select_low_pause_collector() {
  if (UseAutoGCSelectPolicy &&
      !FLAG_IS_DEFAULT(MaxGCPauseMillis) &&
      (MaxGCPauseMillis <= AutoGCSelectPauseMillis)) {
    return true;
  }
  return false;
}

如果should_auto_select_low_pause_collector返回true，那么就選擇CMS，否則使用UseParallelGC；前者是相應時間優(yōu)先GC，后者則是吞吐量優(yōu)先GC。

JVM堆的初始化

JVM參數(shù)解析之后，在初始化JVM堆的時候就可以使用我們設(shè)置的JVM參數(shù)了，不同的參數(shù)使用的堆是不一樣的，GC策略也是有所差異的，下面來分析一下堆的初始化過程；initialize_heap函數(shù)用于初始化堆，下面簡單分幾個步驟分析一下這個函數(shù)具體做了些什么工作。

• （1）、創(chuàng)建堆

首先要做的事情就是要創(chuàng)建使用的堆，創(chuàng)建哪種類型的堆和設(shè)置的GC參數(shù)有關(guān)，create_heap函數(shù)將完成創(chuàng)建堆的工作；

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創(chuàng)建什么類型的堆依賴于選擇了什么類型的GC，JVM提供了四種類型的GC，分別是并行GC（UseParallelGC），也就是使用多線程來做GC，G1 （UseG1GC），CMS以及串行GC（UseSerialGC）；Universe::create_heap_with_policy函數(shù)用于創(chuàng)建對應的堆，它的兩個泛型類型，一個是堆的類型Heap，一個是管理堆的策略Policy，比如對于UseSerialGC，那么創(chuàng)建的堆就是GenCollectedHeap，堆管理的策略就是MarkSweepPolicy；在HotSpot中，堆的實現(xiàn)是一種典型的分代實現(xiàn)，簡單來說分為新生代和老年代，不同的分代存放的對象具有不一樣的特征，但是不同特征的對象也可能放在一起，分在不同分代中的特征包括對象的GC年齡以及對象的大小等因素，對象將優(yōu)先在Eden中存活，經(jīng)過多次Minor GC依然存活的對象將晉升（Promotion）到老年代，但是晉升可能失敗，所以有部分本該晉升到老年代的對象依然存活在新生代，而在做Minor GC的時候，如果Eden + From中存活的對象無法拷貝到To區(qū)域，那么也會直接轉(zhuǎn)移到老年代，這稱為提前晉升，還有一些比較大的對象會直接在老年代申請空間；下面的文章將以UseSerialGC為例，看看堆創(chuàng)建的后續(xù)流程。

先來看一下create_heap_with_policy函數(shù)的實現(xiàn)：

template <class Heap, class Policy>
CollectedHeap* Universe::create_heap_with_policy() {
  Policy* policy = new Policy();
  policy->initialize_all();
  return new Heap(policy);
}

對于UseSerialGC來說，policy就是MarkSweepPolicy，Heap就是GenCollectedHeap；下面分別看看策略的初始化和堆的初始化。

Policy初始化

initialize_all函數(shù)應該是我們應該主要關(guān)心的，這個函數(shù)在基類GenCollectorPolicy中實現(xiàn)：

  virtual void initialize_all() {
    CollectorPolicy::initialize_all();
    initialize_generations();
  }

CollectorPolicy::initialize_all()函數(shù)的實現(xiàn)在CollectorPolicy里面，實現(xiàn)如下：

  virtual void initialize_all() {
    initialize_alignments();
    initialize_flags();
    initialize_size_info();
  }

initialize_alignments會根據(jù)os的page大小來設(shè)置空間對齊參數(shù)，稍后會根據(jù)這些對齊參數(shù)來將我們設(shè)置的各種堆大小對齊到合理的值，所以JVM里面的實際堆大小并不會精確的等于我們設(shè)置的大小，而是會做對齊操作；
initialize_flags的工作是根據(jù)我們設(shè)定的JVM參數(shù)來設(shè)置一些全局變量的值，這里的設(shè)置是"修正"設(shè)置，在參數(shù)解析的時候已經(jīng)設(shè)置過了，但是現(xiàn)在某些參數(shù)需要被重寫設(shè)置，比如堆的大小參數(shù)，需要對齊一下大小再重新設(shè)置。比如下面的代碼片段：

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_min_heap_byte_size表示堆的最小值，align_size_up函數(shù)用于對齊堆的大??；aligned_initial_heap_size是對齊之后的堆初始化大小，如果和InitialHeapSize大小不一樣，就要重新設(shè)置一下InitialHeapSize；MaxHeapSize也是同樣的處理方法；initialize_size_info函數(shù)相對來說比較復雜，它的工作就是確定新生代和老年代的堆大小，比如新生代的初始化堆大小，以及最大堆大小等信息，下面看看細節(jié)：

// Determine maximum size of the young generation.

  if (FLAG_IS_DEFAULT(MaxNewSize)) {
    _max_young_size = scale_by_NewRatio_aligned(_max_heap_byte_size);
    // Bound the maximum size by NewSize below (since it historically
    // would have been NewSize and because the NewRatio calculation could
    // yield a size that is too small) and bound it by MaxNewSize above.
    // Ergonomics plays here by previously calculating the desired
    // NewSize and MaxNewSize.
    _max_young_size = MIN2(MAX2(_max_young_size, _initial_young_size), MaxNewSize);
  }

這段代碼要確定_max_young_size的大小，也就是新生代的大小，如果我們使用-Xmn設(shè)置了新生代的大小，那么就不用執(zhí)行這段代碼，否則就要通過scale_by_NewRatio_aligned函數(shù)來確定新生代的大小，scale_by_NewRatio_aligned的實現(xiàn)如下：

size_t GenCollectorPolicy::scale_by_NewRatio_aligned(size_t base_size) {
  return align_size_down_bounded(base_size / (NewRatio + 1), _gen_alignment);
}

我們可以使用-XX:NewRatio來設(shè)置新生代的占用整個堆的比例，NewRatio默認為2，也就是young_gen_size = heap_size / (NewRatio + 1）；接著看下面的代碼：

  if (_max_heap_byte_size == _initial_heap_byte_size) {
    // The maximum and initial heap sizes are the same so the generation's
    // initial size must be the same as it maximum size. Use NewSize as the
    // size if set on command line.
    _max_young_size = FLAG_IS_CMDLINE(NewSize) ? NewSize : _max_young_size;
    _initial_young_size = _max_young_size;

    // Also update the minimum size if min == initial == max.
    if (_max_heap_byte_size == _min_heap_byte_size) {
      _min_young_size = _max_young_size;
    }
  }

如果堆不可擴展，也就是-Xms和-Xmx是相等的，那么就會執(zhí)行這段代碼，_max_young_size會根據(jù)是否設(shè)定了NewSize來確定，如果設(shè)定了那就取設(shè)定的NewSize（-Xmn），接著_initial_young_size會被設(shè)定了_max_young_size，也就是新生代不可擴展了；這里稍微說一下，DefNew不會進行堆擴展，如果Eden無法滿足申請空間的要求的時候，他就會嘗試去From去申請內(nèi)存；如果堆可擴展，那么就會執(zhí)行下面的代碼：

if (FLAG_IS_CMDLINE(NewSize)) {
      // If NewSize is set on the command line, we should use it as
      // the initial size, but make sure it is within the heap bounds.
      _initial_young_size =
        MIN2(_max_young_size, bound_minus_alignment(NewSize, _initial_heap_byte_size));
      _min_young_size = bound_minus_alignment(_initial_young_size, _min_heap_byte_size);
    } else {
      // For the case where NewSize is not set on the command line, use
      // NewRatio to size the initial generation size. Use the current
      // NewSize as the floor, because if NewRatio is overly large, the resulting
      // size can be too small.
      _initial_young_size =
        MIN2(_max_young_size, MAX2(scale_by_NewRatio_aligned(_initial_heap_byte_size), NewSize));
    }

至此，新生代_min_young_size、_initial_young_size、_max_young_size都已經(jīng)確定了，下面就是確定老年代的這三個變量；這部分內(nèi)容就不再贅述了，后續(xù)再專門研究吧。
執(zhí)行完CollectorPolicy::initialize_all()之后，initialize_generations就要被執(zhí)行，這個函數(shù)為創(chuàng)建和初始化堆進行準備，對于MarkSweepPolicy來說實現(xiàn)如下：

void MarkSweepPolicy::initialize_generations() {
  _young_gen_spec = new GenerationSpec(Generation::DefNew, _initial_young_size, _max_young_size, _gen_alignment);
  _old_gen_spec   = new GenerationSpec(Generation::MarkSweepCompact, _initial_old_size, _max_old_size, _gen_alignment);
}

可以看到新生代是DefNew，老年代是MarkSweepCompact，上面計算好的新生代老年代的堆大小也被設(shè)置到GenerationSpec對象中了，后續(xù)會使用這些參數(shù)來創(chuàng)建具體的堆以及初始化堆空間。

Heap初始化

下面以GenCollectedHeap為例看看堆是如何初始化的；在initialize_heap中調(diào)用create_heap之后，就會調(diào)用創(chuàng)建好的堆的initialize函數(shù)來初始化堆，對應著看GenCollectedHeap的initialize函數(shù)；

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主要看標記出來的兩行代碼，分別初始化了新生代和老年代，gen_policy()->young_gen_spec()函數(shù)將返回上面設(shè)定的GenerationSpec，然后init函數(shù)將根據(jù)具體的堆類型進行創(chuàng)建新生代和老年代并且初始化；

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比如對于+UseSerialGC，新生代就是DefNew，老年代就是MarkSweepCompact；下面看看新生代是如何進行初始化的，DefNewGeneration::DefNewGeneration這個構(gòu)造函數(shù)將用來創(chuàng)建一個DefNew，下圖展示了幾個關(guān)鍵的地方：

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