Jvm internal

Java 8 HotSpot meeting
JVM内部の基本的な話
14年10月23日木曜日1

Java 8 HotSpotMeeting
自己紹介
COPYRIGHT 2014 PLUGRAM, INC.
@tan_go238
PLUGRAM, Inc.

もくじ
・コマンドライン引数
・OOPとか
・Object Locking
・Compressed OOP
・Java8での変更点

コマンドライン引数

コマンドライン引数は３種類
standard option
non-standard options
developer options

standard option
developer options
すべてのJVM実装で利用できる
リリース間の動作も安定している

standard option
developer options
java -client -verbose:gc Hello

standard option
developer options
-X で始まる
すべてのJVM実装で動くことが保証されていない
予告なく変更されることがある

standard option
developer options
java -Xms512m -Xmx512m Hello

standard option
developer options
-XX で始まる
正しく動作させるために特定のシステム条件が必要になる場合がある
システム設定パラメータにアクセスできないと使えない場合がある
普通は使わない。予告なく変更されることがある

standard option
developer options
java -client -Xbatch -XX:+PrintIRWithLIR Hello

% java -client -Xbatch -XX:+PrintIRWithLIR Hello
Error: VM option 'PrintIRWithLIR' is notproduct and is
available only in debug version of VM.
Error: Could not create the Java Virtual Machine.
Error: A fatal exception has occurred. Program will exit.
一部のコマンドライン引数を使うには
デバッグ版のJVMが必要になる

OpenJDKをビルドする
% hg clone http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8 jdk8_src
% cd jdk8_src
% ./get_source.sh
% bash ./configure --enable-debug --with-target-bits=64
% make all
たった５行！
（帰ってからやってね！）

OOPとか

OOP（Ordinary Object Pointer）
・ヒープ上の全てのJavaオブジェクトはOOPとして表現される
・OOPはC/C++のポインタ（マシン語）でヒープ内の位置を指す
・OOPのヘッダーは Mark と Klass の２マシン語（ポインタ※）
・”Mark”はGC、同期化のための情報をもっている
・”Klass”はクラスのメタデータへのポインタ
※Markはポインタではない（後述）

OOP（Ordinary Object Pointer）
hotspot/src/share/vm/oops/oop.hpp (JDK7)
class oopDesc {
friend class VMStructs;
private:
volatile markOop _mark;
union _metadata {
wideKlassOop _klass;
narrowOop _compressed_klass;
} _metadata;
hotspot/src/share/vm/oops/oopsHierarchy.hpp (JDK7)
typedef class klassOopDesc* wideKlassOop;

oopDesc
oopDescクラスはGC対象となるオブジェクトの抽象的な基底クラス
oopDescクラスを継承したクラスのインスタンスがGC対象のオブジェクトになる
hotspot/src/share/vm/oops/oop.hpp (JDK7)
// oopDesc is the top baseclass for objects classes. The {name}Desc classes describe
// the format of Java objects so the fields can be accessed from C++.
// oopDesc is abstract.
// (see oopHierarchy for complete oop class hierarchy)

oopDesc
oopDescクラスはGC対象となるオブジェクトの抽象的な基底クラス
oopDescクラスを継承したクラスのインスタンスがGC対象のオブジェクトになる
hotspot/src/share/vm/oops/oopsHierarcy.hpp (JDK7)
typedef class oopDesc* oop;
typedef class instanceOopDesc* instanceOop;
typedef class methodOopDesc* methodOop;
typedef class constMethodOopDesc* constMethodOop;
typedef class methodDataOopDesc* methodDataOop;
typedef class arrayOopDesc* arrayOop;
typedef class objArrayOopDesc* objArrayOop;
typedef class typeArrayOopDesc* typeArrayOop;
typedef class constantPoolOopDesc* constantPoolOop;
typedef class constantPoolCacheOopDesc* constantPoolCacheOop;
typedef class klassOopDesc* klassOop;
typedef class markOopDesc* markOop;
typedef class compiledICHolderOopDesc* compiledICHolderOop;

klassOopDesc
・klassOopDescクラスはJava上のクラスを表す
・Java上の「java.lang.String」は、VM上では
　klassOopDescクラスのインスタンス（klassOop）になる
・全てのオブジェクトは klassOop を持っている
class oopDesc {
private:
union _metadata {
} _metadata;
← oop.hpp (JDK7)
↓ oopsHierarchy.hpp (JDK7)
typedef class klassOopDesc* wideKlassOop;

klassOop
klassOopはklassクラスのインスタンスを保持しているただの箱
hotspot/src/share/vm/oops/klassOop.hpp (JDK7)
// klassOop object layout:
// [header ]
// [klass_field]
// [KLASS ]

Klass
・Klassクラスはさまざまな型情報の抽象的な基底クラス
・Klassの子クラスにはoopDescの子クラスと対応するクラスが存在する
　→ XXDescのインスタンスには、XXDescに対応したXXKlassを
　　保持するklassOopが格納される
http://www.narihiro.info/g1gc-impl-book/object.html

OOPとKlassの関係
InstanceOop = str klassOop = String klassOop = Class
InstanceOopDesc
_klass
InstanceOopDesc
InstanceKlass
InstanceOopDesc
InstanceKlassKlass
_klass
StringオブジェクトのOOP

MarkOopDesc
MarkOopDescはOOPではなく1ワードのデータ
MarkOopDescの主な内容
　・オブジェクトのハッシュ値
　・年齢（世代別GCに利用）
　・ロックフラグ
同期化やGCに利用する

MarkOopDesc
// 64 bits:
// --------
// unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
// JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
// PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
// size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
//
// unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
// JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
// narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
// unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)
hotspot/src/share/vm/oops/markOop.hpp (JDK7)

Object Locking
Biased Locking 基本ロック
https://wikis.oracle.com/display/HotSpotInternals/Synchronization

基本ロック
Lock状態への遷移
1. Interpreter frameにBasicObjectLockを積む
　→ ロックを表現
2. 元の _mark の内容を _displaced_holderへ退避
3. _markはBasicLockの位置をCAS命令を使って
　書込む
runtime/basicLock.hpp - BasicObjectLock
interpreter/interpreterRuntime.cpp - InterpreterRuntime::monitorenter
runtime/synchronizer.cpp - ObjectSynchronizer::fast_enter
runtime/synchronizer.cpp - ObjectSynchronizer::slow_enter

基本ロック
inflate lockは省略・・・
異なる2つのスレッドからアクセスされた場合
inflation処理が行われる

Biased Locking
・基本ロックでは1回のロックで最低1回のCAS命令を使う
・Biased Lockingのコンセプト
　　- あるスレッドからロックされたオブジェクトは、
　　　同じスレッドからロックされる傾向がある。
　　- オブジェクトの中にスレッド情報を埋め込んで、
　　　特定のスレッドに偏っている(biased)ことを示す。
　　　それによりそのスレッドからのロックはCAS命令なし
　　　で行うことができる。

Biased Locking
1. オブジェクトの生成時は anonymously biased
2. 最初のスレッドがロックすると、そのスレッドのbiasがかかる(CAS操作が必要)
3. Biasedのかかったスレッドがロックする場合は _mark に変更が不要
4. ロックの衝突などが発生するとbiasをかけるのをやめて通常の状態に戻る
　→ 以降、基本ロックを使用する

CompressedOOP

Compressed OOP
・OOPはオブジェクトに対するポインタを表す
・ポインタのサイズは通常ネイティブマシンと同じサイズになる
・LP64では 64ビット、ILP32では32ビット
・ILP32では最大ヒープサイズが約4GBになる
・64ビットだとメモリ空間が広くなる代わりにオブジェクトの
　サイズが大きくなる（1.5倍必要になることも）
　→帯域幅、キャッシュの不足もあり単純に64bitにするのは厳しい

Compressed OOP
・圧縮OOPは32ビットの値で管理ポインタを表す
・圧縮OOPから参照先のオブジェクトを見つけるには
　8倍して64ビットベースのアドレスに加算する必要がある
・圧縮することにより最大約32GBのヒープサイズに対応
圧縮OOPはJava6u18からデフォルトでオン
-XX:-UseCompressedOops で切ることができる

Compressed OOP
・JDK7 + No CompressedOop
Address of SampleClass class is 0x10f03ad00
Memory layout of SampleClass object at 0x14af3edd8:
==========================================================
[0x0000]: 01 da b1 9b 66 00 00 00 00 ad 03 0f 01 00 00 00
[0x0010]: 14 00 00 00 00 00 00 00 0a 00 00 00 00 00 00 00
[0x0020]: 05 00 00 00 00 00 00 00
==========================================================
Field Layout of SampleClass:
==========================================================
@16 8 SampleBaseClass.s
@24 8 SampleClass.l
@32 8 SampleClass.i
@40 #shallowSizeOfInstance(SampleClass)
==========================================================
[mark] ] 8 byte
[klass pointer ] 8 byte (4 byte for compressed-oops)
[fields ] values of all fields including fields from super classes

Compressed OOP
・JDK7 + CompressedOop
Address of SampleClass class is 0x108415f80
Memory layout of SampleClass object at 0x14556d498:
==========================================================
[0x0000]: 01 bc 00 6f 0a 00 00 00 f0 2b 08 21 14 00 00 00
[0x0010]: 0a 00 00 00 00 00 00 00 05 00 00 00 00 00 00 00
==========================================================
==========================================================
@12 4 SampleBaseClass.s
@16 8 SampleClass.l
@24 8 SampleClass.i
==========================================================
[mark] ] 8 byte
[klass pointer ] 8 byte (4 byte for compressed-oops)
[fields ] values of all fields including fields from super classes

Compressed OOP
・JDK7 + CompressedOop（その２）
Address of SampleClass class is 0x600d71640
Memory layout of SampleClass object at 0x7ac44de48:
==========================================================
[0x0000]: 01 d0 f2 5e 1c 00 00 00 59 5c 03 f8 00 00 00 00
[0x0010]: 14 00 00 00 00 00 00 00 0a 00 00 00 00 00 00 00
[0x0020]: 05 00 00 00 00 00 00 00
==========================================================
==========================================================
@16 8 SampleBaseClass.l
@24 8 SampleClass.l
@32 8 SampleClass.i
==========================================================
-‐XX:ObjectAlignmentInBytes=8
http://www.slideshare.net/DawidWeiss/sizeofobject-how-much-memory-objects-take-on-jvms-and-when-this-may-matter

Compressed OOP
・JDK7 + CompressedOop
% java -Xbootclasspath/a:ocean-of-memories.jar -jar jol-internals.jar SampleClass
Running 64-bit HotSpot VM.
Using compressed references with 3-bit shift.
Objects are 8 bytes aligned.
Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
SampleClass object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0000)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000)
8 4 (object header) 2d ec ed 20 (0010 1101 1110 1100 1110 1101 0010 0000)
12 2 short SampleBaseClass.s 20
14 2 (alignment/padding gap) N/A
16 8 long SampleClass.l 10
24 4 int SampleClass.i 5
28 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes (estimated, add this JAR via -javaagent: to get accurate result)
Space losses: 2 bytes internal + 4 bytes external = 6 bytes total
jol (Java Object Layout)
http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jol/

Java8での変更点

Java8での変更点(今回読んでて気づいたところ）
OpenJDK 7
class oopDesc {
private:
union _metadata {
} _metadata;
OpenJDK 8
class oopDesc {
private:
union _metadata {
Klass* _klass;
narrowKlass _compressed_klass;
} _metadata;
hotspot/src/share/vm/oops/oop.hpp

OpenJDK 7
// Klass layout:
// [header ] klassOop
// [klass pointer ] klassOop
// [C++ vtbl ptr ] (contained in Klass_vtbl)
// [layout_helper ]
// [super_check_offset ]
// [secondary_super_cache]
// [secondary_supers ]
// [primary_supers 0]
// ...
hotspot/src/share/vm/oops/klass.hpp
OpenJDK 8
// Klass layout:
// [C++ vtbl ptr ] (contained in Metadata)
// [layout_helper ]
// [super_check_offset ]
// [name ]
// [secondary_super_cache]
// [secondary_supers ]supertypes
// ...

OpenJDK / jdk8u / jdk8u / hotspot
diff src/share/vm/oops/instanceKlass.hpp @ 3602:da91efe96a93
6964458: Reimplement class meta-data storage to use native memory
Summary: Remove PermGen, allocate meta-data in metaspace linked to class loaders,
rewrite GC walking, rewrite and rename metadata to be C++ classes
Reviewed-by: jmasa, stefank, never, coleenp, kvn, brutisso, mgerdin, dholmes, jrose, twisti, roland
Contributed-by: jmasa <jon.masamitsu@oracle.com>, stefank <stefan.karlsson@oracle.com>, mgerdin
<mikael.gerdin@oracle.com>, never <tom.rodriguez@oracle.com>
author
coleenp
date
Sat, 01 Sep 2012 13:25:18 -0400 (2012-09-02)
parents
04ade88d9712
children
4735d2c84362
http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/diff/da91efe96a93/src/share/vm/oops/instanceKlass.hpp

・Java8でmetaspaceが導入されたことにより
　klassOopがなくなった
・oopDescクラスのKlassのポインタが直接 metaspace 内の
　アドレスを指すのかはよくわかってない

ありがとうございました！

参考
徹底解剖「G1GC」実装編
https://github.com/authorNari/g1gc-impl-book/
Locking and Synchronization
http://www.slideshare.net/nminoru_jp/jvm-readingsynchronization
OpenJDK Wiki
https://wiki.openjdk.java.net/dashboard.action
Dangerous Code: How to be Unsafe with Java Classes & Objects in Memory
http://zeroturnaround.com/rebellabs/dangerous-code-how-to-be-unsafe-with-java-classes-objects-in-memory/

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