了得網計算機/網絡_虛擬機設計與實現以JVM為例

產品特色

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編輯推薦

在當今的計算繫統中，虛擬機已經變得無處不在--從物聯網節點到移動電話、個人計算機，再到雲平臺。因其所能賦予軟件的一些重要屬性，如安全性、高生產率和可移植性，虛擬機一直吸引著軟件研究人員和開發者的興趣和關注。本書旨在通過循序漸進、通俗易懂的方式講解虛擬機的通用技術，主要以JVM設計為例，並兼顧其他虛擬機。本書還包括一些同類文獻中較少涉及的主題，例如運行時輔助、棧展開和本地接口。本書是虛擬機設計和工程實踐方面的理想參考讀物，讀者若掌握書中的知識點，便能為任意一種語言虛擬機的設計開發打下堅實的基礎。 ● 虛擬機基礎：類型、內部組成、數據結構 ● 虛擬機設計：執行引擎設計、垃圾回收設計、線程設計 ● 虛擬機內部支持：本地接口、棧展開、垃圾回收支持、運行時輔助，等等 ● 垃圾回收（GC）優化：針對吞吐量的GC優化、針對可擴展性的GC優化、針對響應性的GC優化、並發移動式回收 ● 線程交互優化：monitor性 “本書論述了關於虛擬機設計與實現的高級主題，已經成為我不可或缺的參考書。我向繫統軟件開發者，尤其是托管運行時繫統的開發者，強烈推薦本書，因為本書能夠清晰地解答他們在探索虛擬機相關話題時所產生的疑問。”——周志德，Futurewei Technologies首席科學家 “當前語言虛擬機的應用範圍越來越廣，各類新的語言虛擬機也層出不窮，虛擬機技術的專業圖書卻不多見。本書是作者多年研究與實踐的心得與沉澱，值得一讀。”——胡子昂，華為硅谷基礎軟件實驗室主任、華為Fellow “關於虛擬機架構的設計，本書不但闡明了是什麼，而且討論了為什麼。作者從架構師的角度高屋建瓴地分析了技術選擇背後的來龍去脈，相信讀者一定會受益匪淺。”——慎熙鵬，北卡羅來納州立大學計算機繫教授 “虛擬機技術在編程語言、編譯器、計算機架構、Web繫統等領域均有深遠的影響。作者具備這些領域的工作經歷，本書的寫作也扎根於其在虛擬機研究及開發過程中的一手資料。本書通過循序漸進的方式，將虛擬機技術融入豐富的示例與代碼中，使得讀者能夠同時在理論和實踐的層面充分理解虛擬機技術的精髓。”——朱子青，英偉達高級軟件架構師 “本書作者來自工業界，有著豐富的工程實踐經驗。書中同時包含了學術界在虛擬機相關領域的研究成果。其中重要的技術討論，既有代碼示例，又有理論分析，能幫助讀者透徹地理解虛擬機技術的要點、難點。”——林子超，美國高通研發總監

內容簡介

本書從一位虛擬機（VM）架構師的角度，以易於理解、層層深入的方式介紹了各種主題和算法，尤其是不同VM通用的主要技術。這些算法用圖示充分解釋，用便於理解的代碼片段實現，使得這些抽像概念對繫統軟件工程師而言具像化並可編程。書中還包括一些同類文獻中較少涉及的主題，例如運行時輔助、棧展開和本地接口。本書集理論性與實踐性於一身，不僅結合了高層設計功能與底層實現，而且還結合了高級主題與商業解決方案，是VM設計和工程實踐方面的理想參考讀物。

作者簡介

【作者簡介】李曉峰（Xiao-Feng Li）長期從事繫統軟件的研究與開發，在並行計算、操作繫統、編譯器和語言設計方面有著豐富的技術經驗。Apache Harmony JVM的主要貢獻者，所創建的一個微內核VM被發展為Intel Micro Runtime。目前在一家大型科技公司任技術副總裁，致力於定義和開發基於移動和智能設備的下一代分布式操作繫統。擁有計算機科學博士學位，在閑暇時熱衷於人機交互方式的探索。【譯者簡介】單業計算機專業碩士，軟件工程師，曾供職於多家軟件公司，從事軟件開發工作，現居於上海。譯有《你不知道的JavaScript》中卷及下卷。

第一部分虛擬機基礎

第 1章虛擬機簡介2

1.1 虛擬機類型2

1.2 為什麼需要虛擬機3

1.3 虛擬機示例4

1.3.1 JavaScript引擎4

1.3.2 Perl引擎5

第一部分虛擬機基礎

第 1章虛擬機簡介2

1.1 虛擬機類型2

1.2 為什麼需要虛擬機3

1.3 虛擬機示例4

1.3.1 JavaScript引擎4

1.3.2 Perl引擎5

1.3.3 Android Java VM5

1.3.4 Apache Harmony6

第 2章虛擬機內部組成7

2.1 虛擬機核心組件7

2.1.1 加載器與動態鏈接器7

2.1.2 執行引擎8

2.1.3 內存管理器8

2.1.4 線程調度器9

2.1.5 語言擴展9

2.1.6 傳統模型與虛擬機模型10

2.2 虛擬ISA11

2.2.1 JVM12

2.2.2 JVM與CLR15

第3章虛擬機中的數據結構17

3.1 對像與類17

3.2 對像表示18

3.3 方法描述18

第二部分虛擬機設計

第4章執行引擎設計22

4.1 解釋器22

4.1.1 超級指令23

4.1.2 選擇性內聯23

4.2 JIT編譯23

4.2.1 基於方法的JIT24

4.2.2 基於蹤跡的JIT26

4.2.3 基於區域的JIT29

4.3 解釋器與JIT編譯器的關繫30

4.4 AOT編譯31

4.5 編譯時與運行時33

第5章垃圾回收設計37

5.1 對像生存期37

5.2 引用計數38

5.3 對像追蹤40

5.4 RC與對像追蹤42

5.5 GC安全點43

5.6 常用追蹤GC算法45

5.6.1 標記清除46

5.6.2 追蹤復制46

5.7 常用追蹤GC變體48

5.7.1 標記壓縮48

5.7.2 滑動壓縮48

5.7.3 追蹤轉發49

5.7.4 標記復制50

5.7.5 分代式GC50

5.8 移動式GC與非移動式GC53

5.8.1 數據局部性53

5.8.2 跳增指針分配53

5.8.3 空閑列表與分配位圖53

5.8.4 離散大小列表54

5.8.5 標記位與分配位54

5.8.6 線程局部分配55

5.8.7 移動式GC與非移動式GC的混合56

第6章線程設計58

6.1 什麼是線程58

6.2 內核線程與用戶線程59

6.3 VM線程到OS線程的映射61

6.4 同步構件63

6.5 monitor65

6.5.1 互斥65

6.5.2 條件變量66

6.5.3 monitorenter66

6.5.4 monitorexit69

6.5.5 Object.wait()71

6.5.6 Object.notify()71

6.6 原子73

6.7 monitor與原子75

6.7.1 阻塞與非阻塞75

6.7.2 中央控制點75

6.7.3 鎖與非鎖75

6.7.4 非阻塞之上的阻塞76

6.8 回收器與修改器77

6.9 線程局部數據78

6.10 GC的線程暫停支持81

6.10.1 GC安全點81

6.10.2 GC安全區域83

6.10.3 基於鎖的安全點86

6.10.4 回收中的線程交互87

第三部分虛擬機內部支持

第7章本地接口92

7.1 為何需要本地接口92

7.2 從托管代碼到本地代碼的轉換93

7.2.1 本地方法封裝94

7.2.2 封裝代碼的GC支持96

7.2.3 封裝代碼的同步支持98

7.3 本地方法實現的綁定99

7.4 本地代碼到托管代碼的轉換99

7.5 本地代碼到本地代碼的轉換102

7.5.1 通過JNI API的本地到本地轉換102

7.5.2 為什麼在本地到本地轉換中使用JNI API105

第8章棧展開107

8.1 為何需要棧展開107

8.2 Java方法幀的棧展開108

8.2.1 棧展開設計108

8.2.2 棧展開實現110

8.3 本地方法幀的棧展開112

8.3.1 棧展開設計112

8.3.2 Java到本地封裝設計114

8.3.3 棧展開實現116

8.3.4 本地幀與C幀117

第9章垃圾回收支持119

9.1 為何需要垃圾回收支持119

9.2 在Java代碼中支持垃圾回收121

9.2.1 GC-map121

9.2.2 帶寄存器的棧展開124

9.3 在本地代碼中支持垃圾回收126

9.3.1 對像引用訪問127

9.3.2 對像句柄實現129

9.3.3 GC安全性維護132

9.3.4 對像體訪問133

9.3.5 對像分配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與本地代碼轉換中的GC支持140

9.5.1 本地到Java140

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章運行時輔助145

10.1 為何需要運行時輔助145

10.2 帶運行時輔助的VM服務設計147

10.2.1 運行時輔助操作147

10.2.2 運行時輔助實現148

10.2.3 JNI API作為運行時輔助150

10.3 沒有運行時輔助的VM服務設計151

10.3.1 運行時輔助的快速路徑153

10.3.2 快速路徑VM服務編程154

10.4 主要VM服務154

第 11章異常拋出157

11.1 保存異常拋出上下文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 同步與異步異常160

11.2 本地代碼內與跨本地代碼異常處理161

11.2.1 本地代碼內的異常處理161

11.2.2 帶異常Java代碼返回到本地代碼162

11.2.3 帶異常的本地代碼返回到Java代碼166

11.3 保存棧軌跡167

11.4 找到異常處理器169

11.5 控制轉移172

11.5.1 控制轉移操作172

11.5.2 用於控制轉移的寄存器173

11.5.3 數據寄存器恢復174

11.5.4 控制寄存器修正176

11.5.5 執行恢復176

11.5.6 未捕獲異常179

第 12章終結與弱引用180

12.1 終結180

12.2 為何需要弱引用182

12.3 對像生存期狀態184

12.3.1 對像狀態轉換185

12.3.2 引用隊列187

12.3.3 引用對像狀態轉換187

12.4 引用對像實現189

12.5 引用對像處理順序191

第 13章虛擬機模塊化設計194

13.1 VM組件194

13.2 對像信息暴露197

13.3 垃圾回收器接口199

13.4 執行引擎接口202

13.5 跨組件優化203

第四部分垃圾回收優化

第 14章針對吞吐量的GC優化208

14.1 部分堆回收與全堆回收之間的適應性調整208

14.2 分代式與非分代式算法之間的適應性調整213

14.3 堆的空間大小的適應性調整217

14.3.1 空間大小擴展218

14.3.2 NOS大小219

14.3.3 部分轉發NOS設計221

14.3.4 半空間NOS設計221

14.3.5 aged-mature NOS設計223

14.3.6 回退回收225

14.4 分配空間之間的適應性調整225

14.5 大OS頁與預取230

第 15章針對可擴展性的GC優化232

15.1 回收階段232

15.2 並行對像圖遍歷233

15.2.1 任務共享234

15.2.2 工作偷取234

15.2.3 任務推送235

15.3 並行對像標記238

15.4 並行壓縮239

15.4.1 並行LISP2壓縮器239

15.4.2 對像依賴樹241

15.4.3 帶用於轉發指針的目標表的壓縮器244

15.4.4 基於對像節的壓縮器246

15.4.5 單趟就地壓縮器247

第 16章針對響應性的GC優化249

16.1 區域式GC249

16.2 並發追蹤252

16.2.1 起始快照252

16.2.2 增量更新256

16.2.3 用三色術語表示並發追蹤259

16.2.4 使用讀屏障的並發追蹤260

16.3 並發根集枚舉261

16.3.1 並發根集枚舉設計262

16.3.2 在根集枚舉過程中追蹤堆265

16.3.3 並發棧掃描266

16.4 並發回收調度267

16.4.1 調度並發根集枚舉267

16.4.2 調度並發堆追蹤269

16.4.3 並發回收調度271

16.4.4 並發回收階段轉換272

第 17章並發移動式回收277

17.1 並發復制：“目標空間不變”277

17.1.1 基於槽位的“目標空間不變”算法277

17.1.2 “目標空間不變”性280

17.1.3 對像轉發282

17.1.4 基於對像的“目標空間不變”算法283

17.1.5 基於虛擬內存的“目標空間不變”算法285

17.2 並發復制：“當前副本不變”286

17.2.1 對像移動風暴286

17.2.2 “當前副本不變”設計287

17.2.3 並發復制與並發堆追蹤的關繫289

17.3 並發復制：“源空間不變”292

17.3.1 “源空間不變”設計292

17.3.2 部分轉發“源空間不變”設計294

17.4 無STW的完整並發移動295

17.5 並發壓縮回收296

17.5.1 並發區域復制式回收296

17.5.2 基於虛擬內存的並發壓縮299

第五部分線程交互優化

第 18章 monitor性能優化308

18.1 惰性鎖308

18.2 瘦鎖310

18.2.1 瘦鎖鎖定路徑310

18.2.2 瘦鎖解鎖路徑313

18.2.3 競爭標志重置支持316

18.3 胖鎖318

18.3.1 整合monitor數據結構318

18.3.2 交由OS來支持319

18.3.3 瘦鎖膨脹為胖鎖321

18.3.4 休眠等待被競爭瘦鎖324

18.4 Tasuki鎖327

18.4.1 將同一個胖鎖monitor用於競爭控制327

18.4.2 胖鎖收縮為瘦鎖331

18.5 線程局部鎖 334

18.5.1 鎖保留335

18.5.2 線程親密鎖339

第 19章基於硬件事務內存的設計346

19.1 硬件事務內存346

19.1.1 從事務數據庫到事務內存346

19.1.2 Intel的HTM實現347

19.2 使用HTM的monitor實現348

19.2.1 基於HTM的monitor的正確性問題349

19.2.2 基於HTM的monitor的性能問題352

19.3 使用HTM的並發垃圾回收355

19.3.1 GC中HTM的機會355

19.3.2 復制式回收357

19.3.3 壓縮式回收360

參考文獻364

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