JVM详解

一、什么是JVM

1.1、定义

Java Virtual Machine，JAVA程序的运行环境（JAVA二进制字节码的运行环境）

1.2、好处

• 一次编写，到处运行
• 自动内存管理，垃圾回收机制
• 数组下标越界检查
• 多态

1.3、比较

JVM JRE JDK的区别

1.4、常见的JVM

二、内存结构

整体架构

2.1、程序计数器

Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

作用

用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址

特点

• 线程私有
  • CPU会为每个线程分配时间片，当当前线程的时间片使用完以后，CPU就会去执行另一个线程中的代码
  • 程序计数器是每个线程所私有的，当另一个线程的时间片用完，又返回来执行当前线程的代码时，通过程序计数器可以知道应该执行哪一句指令
• 不会存在内存溢出

2.2、虚拟机栈

Java Virtual Machine Stacks（Java虚拟机栈）

• 每个线程运行需要的内存空间，称为虚拟机栈
• 每个栈由多个栈帧组成，对应着每次调用方法时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法

演示

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		method1();
	}

	private static void method1() {
		method2(1, 2);
	}

	private static int method2(int a, int b) {
		int c = a + b;
		return c;
	}
}
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在控制台中可以看到，主类中的方法在进入虚拟机栈的时候，符合栈的特点

问题辨析

1. 垃圾回收是否涉及栈内存？

   • 不需要。因为虚拟机栈中是由一个个栈帧组成的，在方法执行完毕后，对应的栈帧就会被弹出栈。所以无需通过垃圾回收机制去回收内存。

2. 栈内存的分配越大越好吗？

   • 不是。因为物理内存是一定的，栈内存越大，可以支持更多的递归调用，但是可执行的线程数就会越少。

3. 方法内的局部变量是否是线程安全的？

   • 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，则是线程安全的

   • 如果局部变量引用了对象，或者逃离了方法的作用范围，则需要考虑线程安全问题

// 局部变量的线程安全
public class Demo1_18{
    // 安全
    static void m1(){
        int x = 0; 
        for(int i = 0; i < 5000; i++){
            x++;
        }
        System.out.println(x);
    }
}
public class Demo1_11{
    // 安全
    public static void m1(){
        StringBuilder  sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }
    // 不安全
     public static void m2(StringBuilder  sb){
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }
    // 不安全
     public static StringBuilder m3(){
        StringBuilder  sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        return sb;
    }
}
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内存溢出

Java.lang.stackOverflowError 栈内存溢出

发生原因

• 虚拟机栈中，栈帧过多（无限递归）
• 每个栈帧所占用过大

/**
 * 占内存溢出
 * -Xss256k
 */
public class Demo1_2{
    private static int count;
    public static void main(String[] args){
        try{
            method1();
        }catch(Throwable e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println(count);
        }
    }
    private static void method1(){
        count++;
        method1();
    }
}
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线程运行诊断

CPU占用过高

• Linux环境下运行某些程序的时候，可能导致CPU的占用过高，这时需要定位占用CPU过高的线程
  • top命令，查看是哪个进程占用CPU过高
  • ps H -eo pid(进程号), tid(线程id), %cpu | grep 进程号 （通过ps命令进一步查看是哪个线程占用CPU过高）
  • jstack 进程id 通过查看进程中的线程的nid，刚才通过ps命令看到的tid来对比定位，注意jstack查找出的线程id是16进制的，需要转换

2.3、本地方法栈

Native Method Stack

一些带有native关键字的方法就是需要JAVA去调用本地的C或者C++方法，因为JAVA有时候没法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法

本地方法栈为本地方法提供内存空间

2.4、堆

特点

• 线程共享，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题
• 有垃圾回收机制

堆内存溢出

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 堆内存溢出

/**
 * 堆内存溢出
 * -Xmx8m
 */
public class Demo1_5 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<String> list = new ArrayList<>();
            String a = "hello";
            while (true) {
                list.add(a);
                a = a + a;
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(i);
        }
    }
}
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堆内存诊断

jps

• 查看当前系统中有哪些java进程

jmap

• 查看堆内存占用情况 jmap -heap 进程id

jconsole

• 图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测

JVisualVM

• 能够监控线程，内存情况，查看方法的CPU时间和内存中的对象，已被GC的对象，反向查看分配的堆栈

2.5、方法区

方法区（method area）只是 JVM 规范中定义的一个概念，用于存储类信息、常量池、静态变量、JIT（即使编译器）编译后的代码等数据，并没有规定如何去实现它，不同的厂商有不同的实现。而永久代（PermGen）是 Hotspot虚拟机特有的概念， Java8 的时候又被元空间取代了，永久代和元空间都可以理解为方法区的落地实现。

2.5.1、结构

2.5.2、内存溢出

• 1.8以前会导致永久代内存溢出

  /**
   * 演示永久代内存溢出
   * -XX:MaxPermSize=8m
   */
  public class Demo1_8 extends ClassLoader {  // 可以用来加载类的二进制字节码
      public static void main(String[] args) {
          int j = 0;
          try {
              Demo1_8 test = new Demo1_8();
              for (int i = 0; i < 10000; i++, j++) {
                  // ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码
                  ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
                  // 版本号， public， 类名， 包名， 父类， 接口
                  cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                  byte[] code = cw.toByteArray();
                  // 执行了类的加载
                  test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);
              }
          } finally {
              System.out.println(j);
          }
      }
  }
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• 1.8以后会导致元空间内存溢出

/**
 * 演示元空间内存溢出
 * -XX:MaxMetaspaceSize=8m
 */
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2.5.3、常量池

二进制字节码的组成：类的基本信息、常量池、类的方法定义（包含了虚拟机指令）

常量池可以看作是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型。

通过反编译来查看类的信息

• 获得对应类的.class文件

  • 在JDK对应的bin目录下运行cmd，也可以在IDEA控制台输入

  • 输入 javac 对应类的绝对路径，输入完成后，对应的目录下就会出现类的.class文件

• 在控制台输入 javap -v 类的绝对路径，然后能在控制台看到反编译以后类的信息了

  • 类的基本信息

    

  • 常量池

    

  • 类方法定义

    

  • 虚拟机中执行编译的方法（框内的是真正编译执行的内容，#号的内容需要在常量池中查找）

    

2.5.4、运行时常量池

• 常量池
  • 就是一张表（如上图中的constant pool），虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息
• 运行时常量池
  • 常量池是*.class文件中的，当该类被加载以后，它的常量池信息就会放入到方法区的运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

2.5.5、StringTable

在运行时保存字符串的池子

特征

• 常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象
• 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
• 字符串变量拼接的原理是StringBuilder（1.8）
• 字符串常量拼接的原理是编译器优化
• 可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池中
• 注意：无论是串池还是堆里面的字符串，都是对象

用来放字符串对象且里面的元素不重复

public class Demo1_22 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
    }
}
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常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，但这是a b ab 仅是常量池中的符号，还没有成为java字符串

0: ldc           #2                  // String a
2: astore_1
3: ldc           #3                  // String b
5: astore_2
6: ldc           #4                  // String ab
8: astore_3
9: returnCopy
    
// 当执行到 ldc #2 时，会把符号 a 变为 “a” 字符串对象，并放入串池中（hashtable结构 不可扩容）
// 当执行到 ldc #3 时，会把符号 b 变为 “b” 字符串对象，并放入串池中
// 当执行到 ldc #4 时，会把符号 ab 变为 “ab” 字符串对象，并放入串池中
// 最终StringTable [“a”, “b”, “ab”]
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注意：字符串对象的创建都是懒惰的，只有当运行到那一行字符串且在串池中不存在的时候（如 ldc #2）时，该字符串才会被创建并放入串池中。

使用拼接字符串变量对象创建字符串的过程

public class Demo1_22 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4 = s1 + s2;  // 拼接字符串来创建新的对象
    }
}
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反编译后的结果

Code:
	stack=2, locals=5, args_size=1
        0: ldc           #2                  // String a
        2: astore_1
        3: ldc
        5: astore_2
        6: ldc           #4                  // String ab
        8: astore_3
        9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        29: returnCopy
//通过拼接的方式来创建字符串的**过程**是：StringBuilder().append(“a”).append(“b”).toString()
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最后的toString方法的返回值是一个新的字符串，但字符串的值和拼接的字符串一致，但是两个不同的字符串，一个存在于串池之中，一个存在于堆内存之中

String s3 = "ab";
String s4 = a+b;
//结果为false,因为ab是存在于串池之中，ab2是由StringBuffer的toString方法所返回的一个对象，存在于堆内存之中
System.out.println(s3 == s4);
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使用拼接字符串常量对象的方法创建字符串

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4 = s1 + s2;
        // 使用拼接字符串的方法来创建字符串
        String s5 = "a" + "b";
    }
}
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反编译后的结果

 	  Code:
      stack=2, locals=6, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        //s5初始化时直接从串池中获取字符串
        29: ldc           #4                  // String ab
        31: astore        5
        33: returnCopy
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• 使用拼接字符串常量的方法来创建新的字符串时，因为内容是常量，javac在编译期会进行优化，结果已在编译期确定为ab，而创建s3的时候已经在串池中放入了“ab”，所以s5直接从串池中获取值，所以进行的操作和 s3= “ab” 一致。
• 使用拼接字符串变量的方法来创建新的字符串时，因为内容是变量，只能在运行期确定它的值，所以需要使用StringBuilder来创建

intern方法 1.8

调用字符串对象的intern方法，主动将该字符串对象尝试放入到串池中

• 如果有则并不会放入
• 如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回

注意：此时如果调用intern方法成功，堆内存与串池中的字符串对象是同一个对象；如果失败，则不是同一个对象

例1

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		//"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
		String str = new String("a") + new String("b");
		// 堆 new String("a") new String("b") new String("ab")
		String st2 = str.intern(); // 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回
        
		//给str3赋值，因为此时串池中已有"ab"，则直接将串池中的内容返回
		String str3 = "ab";
		//因为堆内存与串池中的"ab"是同一个对象，所以以下两条语句打印的都为true
		System.out.println(str == st2);
		System.out.println(str == str3);
	}
}
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例2

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
        //此处创建字符串对象"ab"，因为串池中还没有"ab"，所以将其放入串池中
        String x = "ab";
        //"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
        String s = new String("a") + new String("b");
        //此时因为在创建str3时，"ab"已存在与串池中，所以不会放入，但是会返回串池中的"ab"
        String s2 = s.intern();

        System.out.println(s2 == x);//true
        System.out.println(s == x);   //false
	}
}
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intern方法 1.6

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

• 如果有则不会放入
• 如果没有会把此对象复制一份，放入串池，把串池中的对象返回

注意：此时无论调用intern方法成功与否，串池中的字符串对象和堆内存中的字符串对象都不是同一个对象

StringTable 位置

• 1.6 在 常量池中

• 1.8 在堆中

/**
 * 演示stringtable位置
 * 在jdk8下设置-Xmx10m -XX:-UseGCOverheadLimit
 * 在jdk6下设置 -XX:MaxPermSize=10m
 */
public class Demo1_6 {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 260000; j++) {
                list.add(String.valueOf(j).intern());
                i++;
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }
    }
}
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StringTable 垃圾回收

StringTable在内存紧张时，会发生垃圾回收

/**
 * 演示stringtable垃圾回收
 * -Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
 */
public class Demo1_7 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }
    }
}
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/**
 * 演示stringtable垃圾回收
 * -Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
 */
public class Demo1_7 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 100; j++) {
                String.valueOf(j).intern();
                i++;
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }
    }
}
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public class Demo1_7 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 10000; j++) { // j=100, j=10000
                String.valueOf(j).intern();
                i++;
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }
    }
}
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StringTable调优

• 因为StringTable是由HashTable实现的，所以可以适当增加HashTable桶的个数，来减少字符串放入串池所需要的时间

  -XX:StringTableSize=桶个数  // must be between 1009 and 2305843009213693951
  1

• 考虑是否需要将字符串对象入池

  可以通过intern方法减少重复入池

/**
 * -XX:StringTableSize=200000 -XX:+PrintStringTableStatistics
 * -Xsx500m -Xmx500m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:StringTableSize=200000
 */
public class Demo1_25 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<String> address = new ArrayList<>();
        System.in.read();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("linux.words"), StandardCharsets.UTF_8));
                String line = null;
                long start = System.nanoTime();
                while (true) {
                    line = reader.readLine();
                    if (line == null) {
                        break;
                    }
                    address.add(line.intern());
                }
                System.out.println("cost:" + (System.nanoTime() - start) / 1000000);
            } catch (FileNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.in.read();
    }
}
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2.6、直接内存

• 属于操作系统，常见于NIO操作时，用于数据缓冲区
• 分配回收成本较高，但读写性能高
• 不受JVM内存回收管理

文件读写流程

使用了DirectBuffer

直接内存是操作系统和Java代码都可以访问的一块区域，无需将代码从系统内存复制到Java堆内存，从而提高了效率

释放原理

public class Demo1_26 {
     /**
     * -XX:+DisableExplicitGC 禁用显示的垃圾回收
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 1024);
        System.out.println("分配完毕。。。");
        System.in.read();
        System.out.println("开始释放。。。");
        byteBuffer = null;
        System.gc();  // 显示的垃圾回收，Full GC
        System.in.read();
    }
}
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直接内存的回收不是通过JVM的垃圾回收来释放的，而是通过unsafe.freeMemory来手动释放

通过

//通过ByteBuffer申请1M的直接内存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M);
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申请直接内存，但JVM并不能回收直接内存中的内容，它是如何实现回收的呢？

allocateDirect的实现

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    return new DirectByteBuffer(capacity);
} 
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DirectByteBuffer类

DirectByteBuffer(int cap) {   // package-private
   
    super(-1, 0, cap, cap);
    boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
    int ps = Bits.pageSize();
    long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
    Bits.reserveMemory(size, cap);

    long base = 0;
    try {
        base = unsafe.allocateMemory(size); //申请内存
    } catch (OutOfMemoryError x) {
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
    if (pa && (base % ps != 0)) {
        // Round up to page boundary
        address = base + ps - (base & (ps - 1));
    } else {
        address = base;
    }
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); //通过虚引用，来实现直接内存的释放，this为虚引用的实际对象
    att = null;
} 
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这里调用了一个Cleaner的create方法，且后台线程还会对虚引用的对象监测，如果虚引用的实际对象（这里是DirectByteBuffer）被回收以后，就会调用Cleaner的clean方法，来清除直接内存中占用的内存

public void clean() {
    if (remove(this)) {
        try {
            this.thunk.run();
        } catch (final Throwable var2) {
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
                public Void run() {
                    if (System.err != null) {
                        (new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
                    }

                    System.exit(1);
                    return null;
                }
            });
        }
    }
}
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对应对象的run方法

public void run() {
    if (this.address != 0L) {
        unsafe.freeMemory(this.address);  //释放直接内存中占用的内存
        this.address = 0L;
        Bits.unreserveMemory(this.size, this.capacity);
    }
}
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直接内存的回收机制总结

• 使用了Unsafe类来完成直接内存的分配回收，回收需要主动调用freeMemory方法
• ByteBuffer的实现内部使用了Cleaner（虚引用）来检测ByteBuffer对象，一旦ByteBuffer被垃圾回收，那么会由ReferenceHandler来调用Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放内存

三、垃圾回收

3.1、如何判断对象可以回收

3.1.1、引用计数法

给对象添加一个引用计数器，当对象增加一个引用时计数器加 1，引用失效时计数器减 1。引用计数为 0 的对象可被回收。

弊端：循环引用时，两个对象的计数都为1，导致两个对象都无法被释放

正因为循环引用的存在，因此 Java 虚拟机不使用引用计数算法。

3.1.2、可达性分析算法

• JVM中的垃圾回收器通过可达性分析来探索所有存活的对象
• 扫描堆中的对象，看能否沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象，如果找不到，则表示可以回收
• 可以作为GC Root的对象
  • 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
  • 方法区中类静态属性引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象

3.1.3、四种引用

强引用

使用 new 一个新对象的方式来创建强引用

只有所有GC Root都不引用该对象时，才会回收强引用对象

• 如上图B、C对象都不引用A1对象时，A1对象才会被回收

软引用

被软引用关联的对象只有在内存不够的情况下才会被回收

• 如上图如果B对象不再引用A2对象且内存不足时，软引用所引用的A2对象就会被回收

软引用的使用

public class Demo1 {
	public static void main(String[] args) {
		final int _4M = 4*1024*1024;
		//使用软引用对象list和SoftReference是强引用，而SoftReference和byte数组则是软引用
		List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
		SoftReference<byte[]> ref= new SoftReference<>(new byte[_4M]);
	}
} 
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如果在垃圾回收时发现内存不足，在回收软引用所指向的对象时，软引用本身不会被清理

如果想要清理软引用，需要使用引用队列

public class Demo1 {
	public static void main(String[] args) {
		final int _4M = 4*1024*1024;
		//使用引用队列，用于移除引用为空的软引用对象
		ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
		//使用软引用对象 list和SoftReference是强引用，而SoftReference和byte数组则是软引用
		List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
		SoftReference<byte[]> ref= new SoftReference<>(new byte[_4M]);

		//遍历引用队列，如果有元素，则移除
		Reference<? extends byte[]> poll = queue.poll();
		while(poll != null) {
			//引用队列不为空，则从集合中移除该元素
			list.remove(poll);
			//移动到引用队列中的下一个元素
			poll = queue.poll();
		}
	}
} 
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**大概思路为：**查看引用队列中有无软引用，如果有，则将该软引用从存放它的集合中移除（这里为一个list集合）

弱引用

只有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用所引用的对象

• 如上图如果B对象不再引用A3对象，则A3对象会被回收

弱引用的使用和软引用类似，只是将 SoftReference 换为了 WeakReference

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);
obj = null;
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虚引用

当虚引用对象所引用的对象被回收以后，虚引用对象就会被放入引用队列中，调用虚引用的方法

一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用取得一个对象。

为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被回收时收到一个系统通知。

• 虚引用的一个体现是释放直接内存所分配的内存，当引用的对象ByteBuffer被垃圾回收以后，虚引用对象Cleaner就会被放入引用队列中，然后调用Cleaner的clean方法来释放直接内存

//使用 PhantomReference 来实现虚引用
Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj);
obj = null;
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终结器引用

无需手动编码，但其内部配合应用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队（被应用对象暂时没有被回收），再由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的finalize方法，第二次GC时才能回收被引用对象

引用队列

• 软引用和弱引用可以配合引用队列
  • 在弱引用和虚引用所引用的对象被回收以后，会将这些引用放入引用队列中，方便一起回收这些软/弱引用对象

public class Demo2_4 {
    private static final int _4MB = 4 * 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) {
        List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();

        // 引用队列
        ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // 关联了引用队列，当软引用所关联的byte[] 被回收时，软引用自己会加入道queue中去
            SoftReference<byte[]> ref = new SoftReference<>(new byte[_4MB], queue);
            System.out.println(ref.get());
            list.add(ref);
            System.out.println(list.size());
        }

        // 从队列中获取无用的 软引用对象，并移除
        Reference<? extends byte[]> poll = queue.poll();
        while (poll != null) {
            list.remove(poll);
            poll = queue.poll();
        }

        System.out.println("=============================");
        for (SoftReference<byte[]> reference : list) {
            System.out.println(reference.get());
        }
    }
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public class Demo2_5 {
    public static void main(String[] args) {
        List<WeakReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            WeakReference<byte[]> ref = new WeakReference<>(new byte[4 * 1024 * 1024]);
            list.add(ref);
            for (WeakReference<byte[]> w : list) {
                System.out.print(w.get() + " ");
            }
            System.out.println();
        }
        System.out.println("循环结束：" + list.size());
    }
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• 虚引用和终结器引用必须配合引用队列
  • 虚引用和终结器引用在使用时会关联一个引用队列

3.2、垃圾回收算法

3.2.1、标记-清除

定义：是指在虚拟机执行垃圾回收的过程中，首先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。

• 这里的腾出内存空间并不是将内存空间的字节清0，而是记录下这段内存的起始结束地址，下次分配内存的时候，会直接覆盖这段内存

缺点：

• 会产生大量不连续的内存碎片，导致无法给大对象分配内存
• 标记和清除过程效率都不高；

3.2.2、标记-整理

标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

3.2.3、复制

将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收

3.3、分代回收

根据对象存活周期将内存划分为几块，不同块采用适当的收集算法

• 新生代使用: 复制算法
• 老年代使用: 标记 - 清除 或者 标记 - 整理 算法

3.3.1、回收流程

新创建的对象都被放在了新生代的伊甸园中

当伊甸园中的内存不足时，就会进行一次垃圾回收，这时的回收叫做 Minor GC

Minor GC 会将伊甸园和幸存区FROM存活的对象先复制到 幸存区 TO中， 并让其寿命加1，再交换两个幸存区

再次创建对象，若新生代的伊甸园又满了，则会再次触发 Minor GC（会触发 stop the world， 暂停其他用户线程，只让垃圾回收线程工作），这时不仅会回收伊甸园中的垃圾，还会回收幸存区中的垃圾，再将活跃对象复制到幸存区TO中。回收以后会交换两个幸存区，并让幸存区中的对象寿命加1

如果幸存区中的对象的寿命超过某个阈值（最大为15，4bit），就会被放入老年代中

如果新生代老年代中的内存都满了，就会先触发Minor GC，再触发Full GC，扫描新生代和老年代中所有不再使用的对象并回收

3.3.2、相关VM参数

3.3.3、GC 分析

大对象处理策略

当遇到一个较大的对象时，就算新生代的伊甸园为空，也无法容纳该对象时，会将该对象直接晋升为老年代

/**
 * -Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
 */
public class Demo2_1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 8]);
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 8]);
        }).start();
        System.out.println("sleep.....");
        Thread.sleep(1000L);
    }
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线程内存溢出

某个线程的内存溢出了而抛异常（out of memory），不会让其他的线程结束运行

这是因为当一个线程抛出OOM异常后，它所占据的内存资源会全部被释放掉，从而不会影响其他线程的运行，进程依然正常

3.4、垃圾回收器

并行收集：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。

并发收集：指用户线程与垃圾收集线程同时工作（不一定是并行的可能会交替执行）。用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行在另一个CPU上

3.4.1、串行

• 单线程
• 堆内存较小，个人电脑（CPU核数较少)

-XX:+UseSerialGC=Serial+SerialOld
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安全点：让其他线程都在这个点停下来，以免垃圾回收时移动对象地址，使得其他线程找不到被移动的对象

因为是串行的，所以只有一个垃圾回收线程。且在该线程执行回收工作时，其他线程进入阻塞状态

Serial 收集器

Serial是单线程的收集器，只会使用一个线程进行垃圾收集工作

特点：单线程、简单高效（与其他收集器的单线程相比），采用复制算法。对于限定单个CPU的环境来说，由于没有线程交互的开销，因此拥有最高的单线程收集效率。收集器进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它结束（Stop The World）

它是 Client 模式下的默认新生代收集器，因为在用户的桌面应用场景下，分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很大。Serial 收集器收集几十兆甚至一两百兆的新生代停顿时间可以控制在一百多毫秒以内，只要不是太频繁，这点停顿是可以接受的。

ParNew 收集器

ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本

特点：多线程、ParNew收集器默认开启的线程数量与CPU的数量相同，可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来设置线程数。和Serial收集器一样存在Stop The World问题

是 Server 模式下的虚拟机首选新生代收集器，除了性能原因外，主要是因为除了 Serial 收集器，只有它能与 CMS 收集器配合工作。

Serial Old 收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本

特点：同样是单线程收集器，采用标记-整理算法

也是给 Client 模式下的虚拟机使用。如果用在 Server 模式下，它有两大用途:

• 在 JDK 1.5 以及之前版本(Parallel Old 诞生以前)中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
• 作为 CMS 收集器的后备预案，在并发收集发生 Concurrent Mode Failure 时使用。

3.4.2、吞吐量优先

吞吐量：即CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值（吞吐量 = 运行用户代码时间 / ( 运行用户代码时间 + 垃圾收集时间 )），也就是。例如：虚拟机共运行100分钟，垃圾收集器花掉1分钟，那么吞吐量就是99%

• 多线程
• 堆内存较大，多核CPU
• 单位时间内， STW（stop the world，停掉其他所有工作线程）时间最短
• JDK1.8默认使用的垃圾回收器

Parallel Scavenge 收集器

与 ParNew 一样是多线程收集器。与吞吐量关系密切，故也称为吞吐量优先收集器

特点：属于新生代收集器也是采用复制算法的收集器（用到了新生代的幸存区），又是并行的多线程收集器（与ParNew收集器类似）

该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。还有一个值得关注的点是：GC自适应调节策略（与ParNew收集器最重要的一个区别）

GC自适应调节策略：Parallel Scavenge收集器可设置-XX:+UseAdptiveSizePolicy参数。当开关打开时不需要手动指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRation）、晋升老年代的对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等，虚拟机会根据系统的运行状况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量

Parallel Scavenge收集器使用两个参数控制吞吐量：

• -XX:MaxGCPauseMillis 控制最大的垃圾收集停顿时间
• -XX:GCRatio 直接设置吞吐量的大小

Parallel Old 收集器

是Parallel Scavenge收集器的老年代版本

特点：多线程，采用标记-整理算法（老年代没有幸存区）

在注重吞吐量以及 CPU 资源敏感的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge 加 Parallel Old 收集器

3.4.3、响应时间优先

• 多线程
• 堆内存较大，多核CPU
• 尽可能让单次STW时间变短（尽量不影响其他线程运行）

CMS 收集器

Concurrent Mark Sweep，一种以获取最短回收停顿时间为目标的老年代收集器， Mark Sweep 指的是标记 - 清除算法

分为以下四个流程:

• 初始标记: 仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快，需要停顿。
• 并发标记: 进行 GC Roots Tracing 的过程，它在整个回收过程中耗时最长，不需要停顿。
• 重新标记: 为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，需要停顿。
• 并发清除: 不需要停顿。

在整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，不需要进行停顿。

具有以下缺点:

• 吞吐量低: 低停顿时间是以牺牲吞吐量为代价的，导致 CPU 利用率不够高。
• 无法处理浮动垃圾，可能出现 Concurrent Mode Failure。浮动垃圾是指并发清除阶段由于用户线程继续运行而产生的垃圾，这部分垃圾只能到下一次 GC 时才能进行回收。由于浮动垃圾的存在，因此需要预留出一部分内存，意味着 CMS 收集不能像其它收集器那样等待老年代快满的时候再回收。如果预留的内存不够存放浮动垃圾，就会出现 Concurrent Mode Failure，这时虚拟机将临时启用 Serial Old 来替代 CMS。
• 标记 - 清除算法导致的空间碎片，往往出现老年代空间剩余，但无法找到足够大连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次 Full GC。

3.4.4、G1

G1(Garbage-First)，它是一款面向服务端应用的垃圾收集器，在多 CPU 和大内存的场景下有很好的性能。HotSpot 开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉 CMS 收集器。

堆被分为新生代和老年代，其它收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而 G1 可以直接对新生代和老年代一起回收。

JDK 9以后默认使用，而且替代了CMS 收集器

适用场景

• 同时注重吞吐量（Throughput）和低延迟（Low latency），默认的暂停目标是200ms
• 超大堆内存，会将堆内存划分为多个大小相等的区域
• 整体上是标记-整理算法，两个区域之间是复制算法

// 相关参数：JDK8 并不是默认开启的，所需要参数开启
-XX:+UseG1GC
-XX:G1HeapRegionSize=size
-XX:MaxGCPauseMillis=time
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1）G1垃圾回收阶段

新生代伊甸园垃圾回收—–>内存不足，新生代回收+并发标记—–>回收新生代伊甸园、幸存区、老年代内存——>新生代伊甸园垃圾回收(重新开始)

2）Young Collection

分区算法region

G1 把堆划分成多个大小相等的独立区域(Region)，新生代和老年代不再物理隔离。

通过引入 Region 的概念，从而将原来的一整块内存空间划分成多个的小空间，使得每个小空间可以单独进行垃圾回收。这种划分方法带来了很大的灵活性，使得可预测的停顿时间模型成为可能。通过记录每个 Region 垃圾回收时间以及回收所获得的空间(这两个值是通过过去回收的经验获得)，并维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的 Region。

每个 Region 都有一个 Remembered Set，用来记录该 Region 对象的引用对象所在的 Region。通过使用 Remembered Set，在做可达性分析的时候就可以避免全堆扫描

3）Young Collection + CM

• 在 Young GC 时会对 GC Root 进行初始标记
• 在老年代占用堆内存的比例达到阈值时，对进行并发标记（不会STW），由 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent （默认45%）参数设定

4）Mixed Collection

会对E S O 进行全面的垃圾回收

• 最终标记
• 拷贝存活

-XX:MaxGCPauseMills:xxx  //用于指定最长的停顿时间
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问：为什么有的老年代被拷贝了，有的没拷贝？

因为指定了最大停顿时间，如果对所有老年代都进行回收，耗时可能过高。为了保证时间不超过设定的停顿时间，会回收最有价值的老年代（回收后，能够得到更多内存）

5）Full GC

G1在老年代内存不足时（老年代所占内存超过阈值）

• 如果垃圾产生速度慢于垃圾回收速度，不会触发Full GC，还是并发地进行清理
• 如果垃圾产生速度快于垃圾回收速度，便会触发Full GC

6）Young Collection 跨代引用

• 新生代回收的跨代引用（老年代引用新生代）问题

• 卡表与Remembered Set
  • Remembered Set 存在于E中，用于保存新生代对象对应的脏卡
    • 脏卡：O被划分为多个区域（一个区域512K），如果该区域引用了新生代对象，则该区域被称为脏卡
• 在引用变更时通过post-write barried + dirty card queue
• concurrent refinement threads 更新 Remembered Set

7）Remark

重新标记阶段

pre-write barrier + satb_mark_queue

在垃圾回收时，收集器处理对象的过程中

• 黑色：已被处理，需要保留的
• 灰色：正在处理中的
• 白色：还未处理的

但是在并发标记过程中，有可能A被处理了以后未引用C，但该处理过程还未结束，在处理过程结束之前A引用了C，这时就会用到remark

过程如下

• 之前C未被引用，这时A引用了C，就会给C加一个写屏障，写屏障的指令会被执行，将C放入一个队列当中，并将C变为 处理中 状态
• 在并发标记阶段结束以后，重新标记阶段会STW，然后将放在该队列中的对象重新处理，发现有强引用引用它，就会处理它

8）JDK 8u20 字符串去重

• 优点：节省了大量内存

• 缺点：略微多占用了cpu时间，新生代回收时间略微增加

-XX:+UseStringDeduplication

String s1 = new String("hello");   // char[]{'h', 'e', 'l', 'l', 'o'}
String s2 = new String("hello");   // char[]{'h', 'e', 'l', 'l', 'o'}
1
2

• 将所有新分配的字符串放入一个队列
• 当新生代回收时，G1并发检查是否有重复的字符串
• 如果字符串的值一样，就让他们引用同一个char[]
• 注意，其与String.intern()的区别
  • intern关注的是字符串对象
  • 字符串去重关注的是char[]
  • 在JVM内部，使用了不同的字符串表

9）JDK 8u40 并发标记类卸载

所有对象在并发标记后，就能知道哪些类不再被使用。如果一个类加载器的所有类都不在使用，则卸载它所加载的所有类

-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark 默认启用

10）JDK 8u60 回收巨型对象

• 一个对象大于region的一半时，就称为巨型对象
• G1不会对巨型对象进行拷贝
• 回收时被优先考虑
• G1会跟踪老年代所有incoming引用，如果老年代incoming引用为0的巨型对象就可以在新生代垃圾回收时处理掉

11）JDK9并发标记起始时间的调整

• 并发标记必须在堆空间占满前完成，否则退化为FullGC
• JDK9之前需要使用-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
• JDK9可以动态调整
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent用来设置初始值
  • 进行数据采样并动态调整
  • 总会添加一个安全的空档空间

12）JDK9更搞笑的回收

• 250+增强
• 180+bug修复
• https://docs.oracle.com/en/java/javase/19/gctuning

3.5、GC 调优

查看虚拟机参数命令

-XX:+PrintFlagsFinal -version | findstr "GC" 
1

3.5.1、调优领域

• 内存
• 锁竞争
• CPU占用
• IO
• GC

3.5.2、确定目标

【低延迟】还是【高吞吐量】？ 选择合适的回收器

• CMS，G1，ZGC
• ParallelGC
• Zing

3.5.3、最快的GC是不发生GC

首先排除减少因为自身编写的代码而引发的内存问题

• 查看Full GC前后的内存占用，考虑以下几个问题
  • 数据是不是太多？
  • 数据表示是否太臃肿？
    • 对象图
    • 对象大小
  • 是否存在内存泄漏？

3.5.4、新生代调优

• 新生代的特点
  • 所有的new操作分配内存都是非常廉价的
    • TLAB thread-local allocation buffer
  • 死亡对象的回收代价是零
  • 大部分对象用过即死（朝生夕死）
  • MInor GC 所用时间远小于Full GC
• 新生代内存越大越好么？
  • 不是
    • 新生代内存太小：频繁触发Minor GC，会STW，会使得吞吐量下降
    • 新生代内存太大：老年代内存占比有所降低，会更频繁地触发Full GC。而且触发Minor GC时，清理新生代所花费的时间会更长
  • 新生代内存设置为内容纳【并发量 *（请求-响应）】的数据为宜

-Xmn

为新生代(幸存区)设置堆的初始和最大大小(以字节为单位)。GC在这个区域比在其他区域执行得更频繁。如果新生代的内存太小，那么就会有很多minor GC。如果内存太大，则执行full GC，这可能需要很长时间才能完成。Oracle建议您将新生代的大小保持在堆大小的25%—50%。

3.5.5、幸存区调优

• 幸存区需要能够保存 当前活跃对象+需要晋升的对象
• 晋升阈值配置得当，让长时间存活的对象尽快晋升

-XX:MaxTenuringThreshold=threshold

-XX:+PrintTenuringDistribution

3.5.6、老年代调优

以CMS为例

• CMS的老年代内存越大越好
• 先尝试不做调优，如果没有Full GC那么已经…，否则先尝试调优新生代
• 观察发生Full GC时老年代内存占用，将老年代内存预设调大1/4~1/3
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent

四、类加载与字节码技术

4.1、类文件结构

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}
1
2
3
4
5

执行 javac -parameters -d . HelloWorld.java 编译为HelloWorld.class后：

[root@localhost ~]#  od -t xCHelloWorld.class
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09 
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07 
0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29 
0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e 
0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63 
0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01 
0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63 
0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f 
0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16 
0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13 
0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 
0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61 
0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46 
0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e 
0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64 
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74 
0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 
0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61 
0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61 
0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f 
0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 
0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76 
0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 
0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a 
0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b 
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01 
0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01 
0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00 
0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00 
0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00 
0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00 
0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a 
0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b 
0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00 
0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00 
0001120 00 00 02 00 14
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根据 JVM 规范，类文件结构如下

u4 			   magic;
u2             minor_version;    
u2             major_version;    
u2             constant_pool_count;    
cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];    
u2             access_flags;    
u2             this_class;    
u2             super_class;   
u2             interfaces_count;    
u2             interfaces[interfaces_count];   
u2             fields_count;    
field_info     fields[fields_count];   
u2             methods_count;    
method_info    methods[methods_count];    
u2             attributes_count;    
attribute_info attributes[attributes_count];Copy
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4.1.1、魔数

u4 magic;

0~3字节，表示它是否是【class】类型的文件

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

4.1.2、版本

u2 minor_version;
u2 major_version;

4~7字节，表示类的版本 00 34 （52）表示是Java 8

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

4.1.3、常量池

8~9字节，表示常量池长度，00 23（35） 表示常量池有 #1~#34项，注意#0项不计入，也没有值

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

第 #1 项 0a 表示一个Method 信息，00 06和00 15 (21）表示它引用了常量池中 #6和 #21 项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

第 #2 项 09 表示一个Field信息，00 16 (22)和00 17 (23）表示它引用了常量池中 #22和 #23项来获得这个成员变量的【所属类】和【成员变量名】

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

…

…

…

4.2、字节码指令

4.2.1、入门

可参考

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5

4.2.2、javap工具

Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件

[root@localhost ~]# javap -v HelloWorld.class
Classfile /root/HelloWrold
    .class
  Last modified 2020-6-6; size 434 bytes
  MD5 checksum df1dce65bf6fb0b4c1de318051f4a67e
  Compiled from "Demo1.java"
public class com.nyima.JVM.day5.Demo1
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref           #16.#17        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #18            // hello world
   #4 = Methodref          #19.#20        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #21            // com/nyima/JVM/day5/Demo1
   #6 = Class              #22            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               Demo1.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "":()V
  #16 = Class              #23            // java/lang/System
  #17 = NameAndType        #24:#25        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #18 = Utf8               hello world
  #19 = Class              #26            // java/io/PrintStream
  #20 = NameAndType        #27:#28        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #21 = Utf8               com/nyima/JVM/day5/Demo1
  #22 = Utf8               java/lang/Object
  #23 = Utf8               java/lang/System
  #24 = Utf8               out
  #25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = Utf8               println
  #28 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public com.nyima.JVM.day5.Demo1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String hello world
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

         8: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 8
} 
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4.2.3、图解方法执行流程

代码

// 演示 字节码指令和操作数栈、常量池的关系
public class Demo3_1 {    
	public static void main(String[] args) {        
		int a = 10;        
		int b = Short.MAX_VALUE + 1;        
		int c = a + b;        
		System.out.println(c);   
    } 
} 
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常量池载入运行时常量池

常量池也属于方法区，只不过这里单独提出来了

方法字节码载入方法区

（stack=2，locals=4） 对应操作数栈有2个空间（每个空间4个字节），局部变量表中有4个槽位

执行引擎开始执行字节码

bipush 10

• 将一个 byte 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节），类似的指令还有

  • sipush 将一个 short 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节）
  • ldc 将一个 int 压入操作数栈
  • ldc2_w 将一个 long 压入操作数栈（分两次压入，因为 long 是 8 个字节）
  • 这里小的数字都是和字节码指令存在一起，超过 short 范围的数字存入了常量池

istore_1

将操作数栈栈顶元素弹出，放入局部变量表的slot 1中

对应代码中的 a = 10

ldc #3

读取运行时常量池中#3，即32768(超过short最大值范围的数会被放到运行时常量池中)，将其加载到操作数栈中

注意 Short.MAX_VALUE 是 32767，所以 32768 = Short.MAX_VALUE + 1 实际是在编译期间计算好的

istore_2

将操作数栈中的元素弹出，放到局部变量表的2号位置

iload1 iload2

将局部变量表中1号位置和2号位置的元素放入操作数栈中

• 因为只能在操作数栈中执行运算操作

iadd

将操作数栈中的两个元素弹出栈并相加，结果在压入操作数栈中

istore 3

将操作数栈中的元素弹出，放入局部变量表的3号位置

getstatic #4

在运行时常量池中找到#4，发现是一个对象

在堆内存中找到该对象，并将其引用放入操作数栈中

iload 3

将局部变量表中3号位置的元素压入操作数栈中

invokevirtual 5

找到常量池 #5 项，定位到方法区 java/io/PrintStream.println:(I)V 方法

生成新的栈帧（分配 locals、stack等）

传递参数，执行新栈帧中的字节码

执行完毕，弹出栈帧

清除 main 操作数栈内容

return

完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧，程序结束

4.2.4、通过字节码指令来分析问题

代码

public class Demo2 {
	public static void main(String[] args) {
		int i=0;
		int x=0;
		while(i<10) {
			x = x++;
			i++;
		}
		System.out.println(x); //结果为0
	}
} 
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为什么最终的x结果为0呢？ 通过分析字节码指令即可知晓

Code:
     stack=2, locals=3, args_size=1	//操作数栈分配2个空间，局部变量表分配3个空间
        0: iconst_0	//准备一个常数0
        1: istore_1	//将常数0放入局部变量表的1号槽位 i=0
        2: iconst_0	//准备一个常数0
        3: istore_2	//将常数0放入局部变量的2号槽位 x=0	
        4: iload_1		//将局部变量表1号槽位的数放入操作数栈中
        5: bipush        10	//将数字10放入操作数栈中，此时操作数栈中有2个数
        7: if_icmpge     21	//比较操作数栈中的两个数，如果下面的数大于上面的数，就跳转到21。这里的比较是将两个数做减法。因为涉及运算操作，所以会将两个数弹出操作数栈来进行运算。运算结束后操作数栈为空
       10: iload_2		//将局部变量2号槽位的数放入操作数栈中，放入的值是0
       11: iinc          2, 1	//将局部变量2号槽位的数加1，自增后，槽位中的值为1
       14: istore_2	//将操作数栈中的数放入到局部变量表的2号槽位，2号槽位的值又变为了0
       15: iinc          1, 1 //1号槽位的值自增1
       18: goto          4 //跳转到第4条指令
       21: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       24: iload_2
       25: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
       28: returnCopy
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4.2.5、构造方法

cinit()V

public class Demo3 {
	static int i = 10;

	static {
		i = 20;
	}

	static {
		i = 30;
	}

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(i); //结果为30 
	}
} 
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编译器会按从上至下的顺序，收集所有 static 静态代码块和静态成员赋值的代码，合并为一个特殊的方法 cinit()V ：

stack=1, locals=0, args_size=0
         0: bipush        10
         2: putstatic     #2                  // Field i:I
         5: bipush        20
         7: putstatic     #2                  // Field i:I
        10: bipush        30
        12: putstatic     #2                  // Field i:I
        15: return
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init()V

public class Demo4 {
	private String a = "s1";

	{
		b = 20;
	}

	private int b = 10;

	{
		a = "s2";
	}

	public Demo4(String a, int b) {
		this.a = a;
		this.b = b;
	}

	public static void main(String[] args) {
		Demo4 d = new Demo4("s3", 30);
		System.out.println(d.a); //s3
		System.out.println(d.b); //30
	}
} 
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编译器会按从上至下的顺序，收集所有 {} 代码块和成员变量赋值的代码，形成新的构造方法，但原始构造方法内的代码总是在后

Code:
     stack=2, locals=3, args_size=3
        0: aload_0
        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
        4: aload_0
        5: ldc           #2                  // String s1
        7: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
       10: aload_0
       11: bipush        20
       13: putfield      #4                  // Field b:I
       16: aload_0
       17: bipush        10
       19: putfield      #4                  // Field b:I
       22: aload_0
       23: ldc           #5                  // String s2
       25: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
       //原始构造方法在最后执行
       28: aload_0
       29: aload_1
       30: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
       33: aload_0
       34: iload_2
       35: putfield      #4                  // Field b:I
       38: return
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4.2.6、方法调用

public class Demo5 {
	public Demo5() {

	}

	private void test1() {

	}

	private final void test2() {

	}

	public void test3() {

	}

	public static void test4() {

	}

	public static void main(String[] args) {
		Demo5 demo5 = new Demo5();
		demo5.test1();
		demo5.test2();
		demo5.test3();
		Demo5.test4();
	}
} 
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不同方法在调用时，对应的虚拟机指令有所区别

• 私有、构造、被final修饰的方法，在调用时都使用invokespecial指令
• 普通成员方法在调用时，使用invokevirtual指令。因为编译期间无法确定该方法的内容，只有在运行期间才能确定
• 静态方法在调用时使用invokestatic指令

Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class com/nyima/JVM/day5/Demo5 
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method "":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: invokespecial #4                  // Method test1:()V
        12: aload_1
        13: invokespecial #5                  // Method test2:()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #6                  // Method test3:()V
        20: invokestatic  #7                  // Method test4:()V
        23: return
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• new 是创建【对象】，给对象分配堆内存，执行成功会将【对象引用】压入操作数栈
• dup 是赋值操作数栈栈顶的内容，本例即为【对象引用】，为什么需要两份引用呢，一个是要配合 invokespecial 调用该对象的构造方法 “init”😦)V （会消耗掉栈顶一个引用），另一个要 配合 astore_1 赋值给局部变量
• 终方法（final），私有方法（private），构造方法都是由 invokespecial 指令来调用，属于静态绑定
• 普通成员方法是由 invokevirtual 调用，属于动态绑定，即支持多态 成员方法与静态方法调用的另一个区别是，执行方法前是否需要【对象引用】

4.2.7、多态原理

public class Demo3_10 {
    public static void test(Animal animal) {
        animal.eat();
        System.out.println(animal.toString());
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        test(new Cat());
        test(new Dog());
        System.in.read();
    }
}

abstract class Animal {
    public abstract void eat();

    @Override
    public String toString() {
        return "我是：" + getClass().getSimpleName();
    }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("啃骨头");
    }
}

class Cat extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("吃鱼");
    }
}
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1）运行代码

停在System.in.read() 上，这时运行jps获取进程id

2）运行HSDB工具

进入JDK安装目录，执行

java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB
1

因为普通成员方法需要在运行时才能确定具体的内容，所以虚拟机需要调用invokevirtual指令

在执行invokevirtual指令时，经历了以下几个步骤

• 先通过栈帧中对象的引用找到对象
• 分析对象头，找到对象实际的Class
• Class结构中有vtable，它在类加载的链接阶段就已经根据方法的重写规则生成好了
• 查询vtable找到方法的具体地址
• 执行方法的字节码

4.2.8、异常处理

try-catch

public class Demo3_11_1 {
	public static void main(String[] args) {
		int i = 0;
		try {
			i = 10;
		}catch (Exception e) {
			i = 20;
		}
	}
} 
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对应字节码指令，省略了不重要的部分

Code:
     stack=1, locals=3, args_size=1
        0: iconst_0
        1: istore_1
        2: bipush        10
        4: istore_1
        5: goto          12
        8: astore_2
        9: bipush        20
       11: istore_1
       12: return
     //多出来一个异常表
     Exception table:
        from    to  target type
            2     5     8   Class java/lang/Exception
     LineNumberTable: ...
     LocalVariableTable:
		Start Length slot Name  signature
			9	   3    2    e  Ljava/lang/Exception;
			0     13    0 args  [Ljava/lang/String;
    		2	   1   11    i  I
	stackMapTable: ...
   MethodParameters: ...
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• 可以看到多出来一个 Exception table 的结构，[from, to) 是前闭后开（也就是检测2~4行）的检测范围，一旦这个范围内的字节码执行出现异常，则通过 type 匹配异常类型，如果一致，进入 target 所指示行号
• 8行的字节码指令 astore_2 是将异常对象引用存入局部变量表的2号位置（为e）

多个single-catch

public class Demo1 {
	public static void main(String[] args) {
		int i = 0;
		try {
			i = 10;
		}catch (ArithmeticException e) {
			i = 20;
		}catch (Exception e) {
			i = 30;
		}
	}
} 
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对应的字节码

Code:
     stack=1, locals=3, args_size=1
        0: iconst_0
        1: istore_1
        2: bipush        10
        4: istore_1
        5: goto          19
        8: astore_2
        9: bipush        20
       11: istore_1
       12: goto          19
       15: astore_2
       16: bipush        30
       18: istore_1
       19: return
     Exception table:
        from    to  target type
            2     5     8   Class java/lang/ArithmeticException
            2     5    15   Class java/lang/Exception
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• 因为异常出现时，只能进入 Exception table 中一个分支，所以局部变量表 slot 2 位置被共用

finally

public class Demo2 {
	public static void main(String[] args) {
		int i = 0;
		try {
			i = 10;
		} catch (Exception e) {
			i = 20;
		} finally {
			i = 30;
		}
	}
} 
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对应字节码

Code:
     stack=1, locals=4, args_size=1
        0: iconst_0
        1: istore_1
        //try块
        2: bipush        10
        4: istore_1
        //try块执行完后，会执行finally    
        5: bipush        30
        7: istore_1
        8: goto          27
       //catch块     
       11: astore_2 //异常信息放入局部变量表的2号槽位
       12: bipush        20
       14: istore_1
       //catch块执行完后，会执行finally        
       15: bipush        30
       17: istore_1
       18: goto          27
       //出现异常，但未被Exception捕获，会抛出其他异常，这时也需要执行finally块中的代码   
       21: astore_3
       22: bipush        30
       24: istore_1
       25: aload_3
       26: athrow  //抛出异常
       27: return
     Exception table:
        from    to  target type
            2     5    11   Class java/lang/Exception
            2     5    21   any
           11    15    21   any
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可以看到 finally 中的代码被复制了 3 份，分别放入 try 流程，catch 流程以及 catch剩余的异常类型流程

注意：虽然从字节码指令看来，每个块中都有finally块，但是finally块中的代码只会被执行一次

finally中的return

public class Demo3 {
	public static void main(String[] args) {
		int i = Demo3.test();
		System.out.println(i);//结果为20
	}

	public static int test() {
		try {
			return 10;
		} finally {
			return 20;
		}
	}
} 
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对应字节码

public static int test( );
	descriptor: ()I
	flags: ACC_PUBLIC，ACC_STATIC
    code:
		stack=1，locals=2,args_size=0
            0: bipush    10     // <- 10放入栈顶
            2: istore_o			// 10 -> slot 0(从栈顶移除了)
            3: bipush    20		// <- 20放入栈顶
            5 :ireturn 			// 返回栈顶 int(20)
            6: astore_1			// catch any -> slot 1
            7: bipush	20		// <- 20放入栈顶
            9: ireturn   		// 返回栈顶int(20)
		Exception table:
			from  to target  type 
               0  3      6   any
        LineNumberTable: ...
		stackMapTable: ...
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• 由于 finally 中的 ireturn 被插入了所有可能的流程，因此返回结果肯定以finally的为准
• 至于字节码中第 2 行，似乎没啥用，且留个伏笔，看下个例子
• 跟上例中的 finally 相比，发现没有 athrow 了，这告诉我们：如果在 finally 中出现了 return，会吞掉异常
• 所以不要在finally中进行返回操作

被吞掉的异常

public class Demo3_12_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = test();
        System.out.println(i);  // 会发现打印结果为20，并未抛出异常
    }

    public static int test() {
        try {
            int i = 1 / 0;
            return i;
        } finally {
            return 20;
        }
    }
}
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finally不带return

public class Demo4 {
	public static void main(String[] args) {
		int i = test();
		System.out.println(i);
	}

	public static int test() {
		int i = 10;
		try {
			return i;
		} finally {
			i = 20;
		}
	}
} 
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对应字节码

Code:
     stack=1, locals=3, args_size=0
        0: bipush        10
        2: istore_0 //赋值给i 10
        3: iload_0	//加载到操作数栈顶
        4: istore_1 //加载到局部变量表的1号位置
        5: bipush        20
        7: istore_0 //赋值给i 20
        8: iload_1 //加载局部变量表1号位置的数10到操作数栈
        9: ireturn //返回操作数栈顶元素 10
       10: astore_2
       11: bipush        20
       13: istore_0
       14: aload_2 //加载异常
       15: athrow //抛出异常
     Exception table:
        from    to  target type
            3     5    10   any
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4.2.9、Synchronized

public class Demo3_13 {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println("ok");
        }
    }
}
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对应字节码

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor:([Ljava/lang/String;)v
    flages: ACC_PUBLIC, AXX_STATIC
    Code:
        stack=2, locals=4, args_size=1
            0: new            #2           // new Object
            3: dup          
            4: invokespecial  #1            // invokespecial :()v
            7: astore_1
            8: aload_1
    		9: dup 
    		10: astore_2
            11: monitorenter 			// monitorenter(lock引用)
			12: getstatic    #3 		 //<- System.out
			15: ldc 		 #4 		//<- "ok"
			17: invokevirtual #5 		// invokevirtual println:(Ljava/lang/Strit
			20: aload_2 				// <- slot 2(lock引用)
     		21: monitorexit 			// monitorexit(lock引用)
			22: goto		 30
        	25: astore_3				// any -> slot 3
            26: aload_2					 // <- slot 2(lock引用)
            27: monitorexit    // monitorexit( lock引用)
			28: aload_3
			29: athrow
            30: return
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4.3、编译期处理

所谓的 语法糖 ，其实就是指 java 编译器把 *.java 源码编译为 *.class 字节码的过程中，自动生成和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java 编译器给我们的一个额外福利

注意，以下代码的分析，借助了 javap 工具，idea 的反编译功能，idea 插件 jclasslib 等工具。另外， 编译器转换的结果直接就是 class 字节码，只是为了便于阅读，给出了 几乎等价 的 java 源码方式，并不是编译器还会转换出中间的 java 源码，切记。

4.3.1、默认构造函数

public class Candy1 {

} 
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编译鞥class后的代码

public class Candy1 {
   //这个无参构造器是java编译器帮我们加上的
   public Candy1() {
      super();  //即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object." ":()V
   }
} 
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4.3.2、自动拆装箱

基本类型和其包装类型的相互转换过程，称为拆装箱

在JDK 5以后，它们的转换可以在编译期自动完成

public class Demo2 {
   public static void main(String[] args) {
      Integer x = 1;
      int y = x;
   }
} 
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这段代码在JDK5之前是无法编译通过的，必须改写为下面的代码

public class Demo2 {
   public static void main(String[] args) {
      //基本类型赋值给包装类型，称为装箱
      Integer x = Integer.valueOf(1);
      //包装类型赋值给基本类型，称谓拆箱
      int y = x.intValue();
   }
} 
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4.3.3、泛型集合取值

泛型也是在 JDK 5 开始加入的特性，但 java 在编译泛型代码后会执行 泛型擦除 的动作，即泛型信息在编译为字节码之后就丢失了，实际的类型都当做了 Object 类型来处理：

public class Demo3 {
   public static void main(String[] args) {
      List<Integer> list = new ArrayList<>();
      list.add(10);		// 实际调用的是 List.add(Object e)
      Integer x = list.get(0);   // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);
   }
} 
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对应字节码

Code:
    stack=2, locals=3, args_size=1
       0: new           #2                  // class java/util/ArrayList
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: bipush        10
      11: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      //这里进行了泛型擦除，实际调用的是add(Objcet o)
      14: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
      19: pop
      20: aload_1
      21: iconst_0
      //这里也进行了泛型擦除，实际调用的是get(Object o)   
      22: invokeinterface #6,  2            // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
//这里进行了类型转换，将Object转换成了Integer
      27: checkcast     #7                  // class java/lang/Integer
      30: astore_2
      31: returnCopy
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所以调用get函数取值时，有一个类型转换的操作

Integer x = (Integer) list.get(0);
1

如果要将返回结果赋值给一个int类型的变量，则还有自动拆箱的操作

int x = ((Integer) list.get(0)).intValue();
1

使用反射，仍然能够获得这些信息：

public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {
    }
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Method test = Demo3_13.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
for (Type type : test.getGenericParameterTypes()) {
    if (type instanceof ParameterizedType) {
        ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;
        System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType());
        Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
        for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {
            System.out.printf("泛型参数【%d】 - %s\n", i, arguments[i]);
        }
    }
}
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输出

原始类型 - interface java.util.List
泛型参数【0】 - class java.lang.String
原始类型 - interface java.util.Map
泛型参数【0】 - class java.lang.Integer
泛型参数【1】 - class java.lang.Object
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4.3.4、可变参数

public class Demo4 {
   public static void foo(String... args) {
      //将args赋值给arr，可以看出String...实际就是String[] 
      String[] arr = args;
      System.out.println(arr.length);
   }

   public static void main(String[] args) {
      foo("hello", "world");
   }
} 
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可变参数 String… args 其实是一个 String[] args ，从代码中的赋值语句中就可以看出来。 同样 java 编译器会在编译期间将上述代码变换为：

public class Demo4 {
   public Demo4 {}

   public static void foo(String[] args) {
      String[] arr = args;  // 直接赋值
      System.out.println(arr.length);
   }

   public static void main(String[] args) {
      foo(new String[]{"hello", "world"});
   }
} 
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注意，如果调用的是foo()，即未传递参数时，等价代码为foo(new String[]{})，创建了一个空数组，而不是直接传递的null

4.3.5、foreach

public class Demo5 {
	public static void main(String[] args) {
		int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};   //数组赋初值的简化写法也是一种语法糖。
		for(int x : arr) {
			System.out.println(x);
		}
	}
} 
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编译器会帮我们转换为

public class Demo5 {
    public Demo5 {}

	public static void main(String[] args) {
		int[] arr = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
		for(int i=0; i<arr.length; ++i) { 
			int x = arr[i];
			System.out.println(x);
		}
	}
} 
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如果是集合

public class Demo5 {
   public static void main(String[] args) {
      List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
      for (Integer x : list) {
         System.out.println(x);
      }
   }
} 
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集合要使用foreach，需要该集合类实现了Iterable接口，因为集合的遍历需要用到迭代器Iterator

public class Demo5 {
    public Demo5 {}
    
   public static void main(String[] args) {
      List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
      //获得该集合的迭代器
      Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
      while(iterator.hasNext()) {
         Integer x = iterator.next();
         System.out.println(x);
      }
   }
} 
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4.3.6、switch字符串

public class Demo6 {
   public static void choose(String args) {
      switch (str) {
         case "hello" :
            System.out.println("h");
            break;
         case "world" :
            System.out.println("w");
            break; 
      }
   }
} 
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在编译器中执行的操作

public class Demo6 {
   public Demo6() {
      
   }
   public static void main(String args) {
      int x = -1;
      switch (str.hashCode()) {
         case 99162322 :  //hello的hashCode
            if(str.equals("hello")) {  //再次比较，因为字符串的hashCode有可能相等
               x = 0;
            }
            break;
         case 11331880 : //world的hashCode
            if(str.equals("world")) {
               x = 1;
            }
      }
      switch (x) {
         case 0:
            System.out.println("h");
            break;
         case 1:
            System.out.println("w");
      }
   }
} 
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可以看到，执行了两遍switch，第一遍是根据字符串的hashCode和equals将字符串的转换为相应byte类型，第二遍才是利用byte执行进行比较。

为什么第一遍时必须即比较hashcode，有利用equals比较呢？hashcode是为了提高效率，减少可能的比较而equals是为了防止hashCode冲突。

4.3.7、switch枚举

public class Demo7 {
   public static void foo(Sex sex) {
      switch (sex) {
         case MALE:
            System.out.println("man");
            break;
         case FEMALE:
            System.out.println("woman");
            break;
      }
   }
}

enum SEX {
   MALE, FEMALE;
} 
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编译器中执行的代码如下

public class Demo7 {
   /**     
    * 定义一个合成类（仅 jvm 使用，对我们不可见）     
    * 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系     
    * 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始     
    * 即 MALE 的 ordinal()=0，FEMALE 的 ordinal()=1     
    */ 
   static class $MAP {
      //数组大小即为枚举元素个数，里面存放了case用于比较的数字
      static int[] map = new int[2];
      static {
         //ordinal即枚举元素对应所在的位置，MALE为0，FEMALE为1
         map[SEX.MALE.ordinal()] = 1;
         map[SEX.FEMALE.ordinal()] = 2;
      }
   }

   public static void foo(Sex sex) {
      //将对应位置枚举元素的值赋给x，用于case操作
      int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
      switch (x) {
         case 1:
            System.out.println("man");
            break;
         case 2:
            System.out.println("woman");
            break;
      }
   }
}

enum SEX {
   MALE, FEMALE;
} 
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4.3.8、枚举类

enum SEX {
   MALE, FEMALE;
} 
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转换后的代码

public final class Sex extends Enum<Sex> {   
   //对应枚举类中的元素
   public static final Sex MALE;    
   public static final Sex FEMALE;    
   private static final Sex[] $VALUES;
   
    static {       
    	//调用构造函数，传入枚举元素的值及ordinal
    	MALE = new Sex("MALE", 0);    
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);   
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE}; 
   }
 	
   //调用父类中的方法
    private Sex(String name, int ordinal) {     
        super(name, ordinal);    
    }
   
    public static Sex[] values() {  
        return $VALUES.clone();  
    }
    public static Sex valueOf(String name) { 
        return Enum.valueOf(Sex.class, name);  
    } 
   
} 
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4.3.9、匿名内部类

public class Demo8 {
   public static void main(String[] args) {
      Runnable runnable = new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
            System.out.println("running...");
         }
      };
   }
} 
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转换后的代码

public class Demo8 {
   public static void main(String[] args) {
      //用额外创建的类来创建匿名内部类对象
      Runnable runnable = new Demo8$1();
   }
}

//创建了一个额外的类，实现了Runnable接口
final class Demo8$1 implements Runnable {
   public Demo8$1() {}

   @Override
   public void run() {
      System.out.println("running...");
   }
} 
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如果匿名内部类中引用了局部变量

public class Demo8 {
   public static void test(final int x) {
      Runnable runnable = new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
            System.out.println(x);
         }
      };
   }
} 
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转化后代码

public class Demo8 {
   public static void test(final int x) {
      Runnable runnable = new Demo8$1(x);
   }
}

final class Demo8$1 implements Runnable {
   //多创建了一个变量
   int val$x;
   //变为了有参构造器
   public Demo8$1(int x) {
      this.val$x = x;
   }

   public void run() {
      System.out.println(this.val$x);
   }
} 
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4.4、类加载阶段

4.4.1、加载

• 将类的字节码载入方法区（1.8后为元空间，在本地内存中）中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：

  • _java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，它的镜像类就是 String.class，作用是把 klass 暴露给 java 使用
  • _super 即父类
  • _fields 即成员变量
  • _methods 即方法
  • _constants 即常量池
  • _class_loader 即类加载器
  • _vtable 虚方法表
  • _itable 接口方法

• 如果这个类还有父类没有加载，先加载父类

• 加载和链接可能是交替运行的

• instanceKlass保存在方法区。JDK 8以后，方法区位于元空间中，而元空间又位于本地内存中
• _java_mirror则是保存在堆内存中
• InstanceKlass和*.class(JAVA镜像类)互相保存了对方的地址
• 类的对象在对象头中保存了*.class的地址。让对象可以通过其找到方法区中的instanceKlass，从而获取类的各种信息

4.4.2、链接

验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查

准备

为 static 变量分配空间，设置默认值

• static变量在JDK 7以前是存储与instanceKlass末尾。但在JDK 7以后就存储在_java_mirror末尾了
• static变量在分配空间和赋值是在两个阶段完成的。分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成
• 如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
• 如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用

• 未解析时，常量池中的看到的对象仅是符号，未真正的存在于内存中

public class Demo1 {
   public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
      ClassLoader loader = Demo1.class.getClassLoader();
      // loadClass 方法不会导致类的解析和初始化
      Class<?> c = loader.loadClass("com.nyima.JVM.day8.C");
      //用于阻塞主线程
      System.in.read();
   }
}

class C {
   D d = new D();
}

class D {

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• 打开HSDB
  • 可以看到此时只加载了类C

查看类C的常量池，可以看到类D未被解析，只是存在于常量池中的符号

• 解析以后，会将常量池中的符号引用解析为直接引用

  • 可以看到，此时已加载并解析了类C和类D

  

  

4.4.3、初始化

初始化阶段就是调用()v方法的过程，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全

• clinit()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的

注意

编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问，如

发生时机

类的初始化的懒惰的，以下情况会初始化

• main 方法所在的类，总会被首先初始化
• 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
• 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
• 子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
• Class.forName
• new 会导致初始化

以下情况不会初始化

• 访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）
• 类对象.class 不会触发初始化
• 创建该类对象的数组
• 类加载器的.loadClass方法
• Class.forNamed的参数2为false时

验证类是否被初始化，可以看该类的静态代码块是否被执行

public class Load3 {
    static {
        System.out.println("main init");
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 静态常量不会触发初始化
        System.out.println(B.b);
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
        System.out.println(B.class);
        // 3. 创建该类对象的数组
        System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类B,但会加载B、A
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        cl.loadClass("com.su.B");
        // 5. 不会初始化类B,但会加载B、A
        ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        Class.forName("com.su.B", false, c2);


        //  1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
        System.out.println(A.a);
        //  2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
        System.out.println(B.c);
        //  3. 子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
        System.out.println(B.a);
        //  4. 会初始化类B，并先初始化类A
        Class.forName("com.su.B");
    }
}

class A {
    static int a = 0;

    static {
        System.out.println("a init");
    }
}

class B extends A {
    final static double b = 5.0;
    static boolean c = false;

    static {
        System.out.println("b init");
    }
}
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4.5、类加载器

Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的**“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”**（ClassLoader）

4.5.1、类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远超类加载阶段

对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等

以JDK 8为例

4.5.2、启动类加载器

可通过在控制台输入指令，使得类被启动类加器加载

public class F {
    static {
        System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

public class Load5_1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("com.su.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}
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java -Xbootclasspath/a:. com.su.Load5_1
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• -Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath
• 其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath之后
• 可以用这个办法替换核心类
  • java -Xbootclasspath
  • java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
  • java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

4.5.3、拓展类加载器

如果classpath和JAVA_HOME/jre/lib/ext 下有同名类，加载时会使用拓展类加载器加载。当应用程序类加载器发现拓展类加载器已将该同名类加载过了，则不会再次加载

4.5.4、双亲委派模式

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都会传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

loadClass源码

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 有上级的话，委派上级 loadclass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派BootstrapClassloader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }

            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 如果父类加载器无法加载时，调用findclass方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);
                
                // 5.记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
} 
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4.5.5、线程上下文类加载器

在使用JDBC时，都需要加载Driver驱动，不知道你注意到没有，不写 Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver") 也可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载，你知道是怎么做的？

public class DriverManager{
    // 注册驱动的集合
    private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();
    
    // 初始化驱动
    static{
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }
}
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看看DirverManager的类加载器：

System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());
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打印null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 JAVA_HOME/jre/lib 下搜索类，但 JAVA_HOME/jre/lib 下显示没有 mysql-connector-java-5.1.47.jar包，这样问题来了，在DirverManager的静态代码块中，怎么能正确加载com.mysql.jdbc.Driver 呢

继续看loadInitialDrivers()方法：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        drivers = (String)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception var8) {
        drivers = null;
    }
    // 使用ServiceLoader 机制加载驱动，即SPI
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            ServiceLoader driversList = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator var2 = driversList.iterator();

            try {
                while(var2.hasNext()) {
                    var2.next();
                }
            } catch (Throwable var4) {
            }

            return null;
        }
    });
    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
    // 使用jdbc.drivers 定义的驱动名加载驱动
    if (drivers != null && !drivers.equals("")) {
        String[] driversList = drivers.split(":");
        println("number of Drivers:" + driversList.length);
        String[] var2 = driversList;
        int var3 = driversList.length;

        for(int var4 = 0; var4 < var3; ++var4) {
            String var5 = var2[var4];

            try {
                println("DriverManager.Initialize: loading " + var5);
                // 这里的classLoader.getSystremClassLoader()就是应用程序类加载器
                Class.forName(var5, true, ClassLoader.getSystemClassLoader());
            } catch (Exception var7) {
                println("DriverManager.Initialize: load failed: " + var7);
            }
        }

    }
}
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ServiceLoader.load方法

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return load(service, cl);
}
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线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载，它内部又是由Class.forName调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在ServiceLoader的内部类LazyIterator中

private class LazyIterator implements Iterator<S> {
    Class<S> service;
    ClassLoader loader;
    Enumeration<URL> configs;
    Iterator<String> pending;
    String nextName;

    private LazyIterator(Class<S> var2, ClassLoader var3) {
        this.configs = null;
        this.pending = null;
        this.nextName = null;
        this.service = var2;
        this.loader = var3;
    }

    private boolean hasNextService() {
        if (this.nextName != null) {
            return true;
        } else {
            if (this.configs == null) {
                try {
                    String var1 = "META-INF/services/" + this.service.getName();
                    if (this.loader == null) {
                        this.configs = ClassLoader.getSystemResources(var1);
                    } else {
                        this.configs = this.loader.getResources(var1);
                    }
                } catch (IOException var2) {
                    ServiceLoader.fail(this.service, "Error locating configuration files", var2);
                }
            }

            while(this.pending == null || !this.pending.hasNext()) {
                if (!this.configs.hasMoreElements()) {
                    return false;
                }

                this.pending = ServiceLoader.this.parse(this.service, (URL)this.configs.nextElement());
            }

            this.nextName = (String)this.pending.next();
            return true;
        }
    }

    private S nextService() {
        if (!this.hasNextService()) {
            throw new NoSuchElementException();
        } else {
            String var1 = this.nextName;
            this.nextName = null;
            Class var2 = null;

            try {
                var2 = Class.forName(var1, false, this.loader);
            } catch (ClassNotFoundException var5) {
                ServiceLoader.fail(this.service, "Provider " + var1 + " not found");
            }

            if (!this.service.isAssignableFrom(var2)) {
                ServiceLoader.fail(this.service, "Provider " + var1 + " not a subtype");
            }

            try {
                Object var3 = this.service.cast(var2.newInstance());
                ServiceLoader.this.providers.put(var1, var3);
                return var3;
            } catch (Throwable var4) {
                ServiceLoader.fail(this.service, "Provider " + var1 + " could not be instantiated", var4);
                throw new Error();
            }
        }
    }
}
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4.5.6、自定义类加载器

使用场景

• 想加载非 classpath 随意路径中的类文件
• 通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
• 这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤

• 继承ClassLoader父类
• 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法
  • 不是重写loadClass方法，否则不会走双亲委派机制
• 读取类文件的字节码
• 调用父类的 defineClass 方法来加载类
• 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法

public class Load7 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        MyClassLoader c = new MyClassLoader();
        Class<?> c1 = c.loadClass("MapImpl1");
        Class<?> c2 = c.loadClass("MapImpl1");
        System.out.println(c1 == c2);  // true

        Class<?> c3 = c.loadClass("MapImpl1");
        System.out.println(c1 == c3); // false

        c1.newInstance();
    }
}

class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String s) throws ClassNotFoundException {
        String path = "E:\\myclasspath\\" + s + ".class";

        try {
            ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();
            Files.copy(Paths.get(path), os);
            byte[] bytes = os.toByteArray();
            return defineClass(s, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException("类文件为找到", e);
        }
    }
}
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4.5.7、破坏双亲委派模式

• 双亲委派模型的第一次"被破坏"其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK1.2面世以前的“远古”时代
  • 建议用户重写findClass()方法，在类加载器中的loadClass()方法中也会调用该方法
• 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的
  • 如果有基础类型又要调用回用户的代码（SPI机制），此时也会破坏双亲委派模式，引入线程上下文类加载器，在JDK6提供了ServiceLoader类，以MATE-INF/services中的配置信息，辅以责任链模式，解决了SPI问题
• 双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的
  • 这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等

4.6、运行期优化

4.6.1、即时编译

4.6.1.1、分层编译

public class JIT1 {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                new Object();
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\n", i, (end - start));
        }
    }
}
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JVM 将执行状态分成了 5 个层次：

• 0层：解释执行（Interpreter ，用解释器将字节码翻译为机器码）
• 1层：使用 C1 即时编译器编译执行（不带 profiling）
• 2层：使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的profiling）
• 3层：使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的profiling）
• 4层：使用 C2 即时编译器编译执行

profiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的 回边次数】等

即时编译器（JIT）与解释器的区别

• 解释器
  • 将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
  • 将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
• 即时编译器
  • 将一些字节码编译为机器码，并存入 Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
  • 根据平台类型，生成平台特定的机器码

对于大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。 执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由 来），优化之

4.6.1.2、逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）简单来讲就是，Java Hotspot 虚拟机可以分析新创建对象的使用范围，并决定是否在 Java 堆上分配内存的一项技术

逃逸分析的基本原理是：分析对象动态作用域，当一个对象在方法里面被定义后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他方法中，这种称为方法逃逸；甚至还有可能被外部线程访问到，譬如赋值给可以在其他线程中访问的实例变量，这种称为线程逃逸；从不逃逸、方法逃逸到线程逃逸，称为对象由低到高的不同逃逸程度。

逃逸分析的 JVM 参数如下：

• 开启逃逸分析：-XX:+DoEscapeAnalysis
• 关闭逃逸分析：-XX:-DoEscapeAnalysis
• 显示分析结果：-XX:+PrintEscapeAnalysis

逃逸分析技术在 Java SE 6u23+ 开始支持，并默认设置为启用状态，可以不用额外加这个参数

逃逸分析优化

如果能证明一个对象不会逃逸到方法或线程之外，或者逃逸程度比较低，则可能为这个对象实例采取不同程度的优化：

同步消除

我们知道线程同步锁是非常牺牲性能的，当编译器确定当前对象只有当前线程使用，那么就会移除该对象的同步锁

例如，StringBuffer 和 Vector 都是用 synchronized 修饰线程安全的，但大部分情况下，它们都只是在当前线程中用到，这样编译器就会优化移除掉这些锁操作

锁消除的 JVM 参数如下：

• 开启锁消除：-XX:+EliminateLocks
• 关闭锁消除：-XX:-EliminateLocks

锁消除在 JDK8 中都是默认开启的，并且锁消除都要建立在逃逸分析的基础上

标量替换

首先要明白标量和聚合量，基础类型和对象的引用可以理解为标量，它们不能被进一步分解。而能被进一步分解的量就是聚合量，比如：对象

对象是聚合量，它又可以被进一步分解成标量，将其成员变量分解为分散的变量，这就叫做标量替换。

这样，如果一个对象没有发生逃逸，那压根就不用创建它，只会在栈或者寄存器上创建它用到的成员标量，节省了内存空间，也提升了应用程序性能

标量替换的 JVM 参数如下：

• 开启标量替换：-XX:+EliminateAllocations
• 关闭标量替换：-XX:-EliminateAllocations
• 显示标量替换详情：-XX:+PrintEliminateAllocations

标量替换同样在 JDK8 中都是默认开启的，并且都要建立在逃逸分析的基础上

栈上分配

当对象没有发生逃逸时，该对象就可以通过标量替换分解成成员标量分配在栈内存中，和方法的生命周期一致，随着栈帧出栈时销毁，减少了 GC 压力，提高了应用程序性能

4.6.1.3、方法内联

private static int square(final int i){
    return i * i;
}
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System.out.println(square(9));
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如果发现square是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联，所谓的内联就是把方法内代码拷贝、粘贴到调用者的位置：

System.out.println(square(9 * 9));
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还能进行常量折叠的优化

System.out.println(81);
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4.6.2、反射优化

public class Reflect1 {
   public static void foo() {
      System.out.println("foo...");
   }

   public static void main(String[] args) throws Exception {
      Method foo = Reflect1.class.getMethod("foo");
      for(int i = 0; i<=16; i++) {
         foo.invoke(null);
      }
   }
} 
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foo.invoke 前面 0 ~ 15 次调用使用的是 MethodAccessor 的 NativeMethodAccessorImpl 实现

invoke方法源码

@CallerSensitive
public Object invoke(Object obj, Object... args)
    throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
       InvocationTargetException
{
    if (!override) {
        if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
            checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
        }
    }
    //MethodAccessor是一个接口，有3个实现类，其中有一个是抽象类
    MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
    if (ma == null) {
        ma = acquireMethodAccessor();
    }
    return ma.invoke(obj, args);
} 
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会由DelegatingMehodAccessorImpl去调用NativeMethodAccessorImpl

NativeMethodAccessorImpl源码

class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
    private final Method method;
    private DelegatingMethodAccessorImpl parent;
    private int numInvocations;

    NativeMethodAccessorImpl(Method driversList) {
        this.method = driversList;
    }
	
	//每次进行反射调用，会让numInvocation与ReflectionFactory.inflationThreshold的值（15）进行比较，并使使得numInvocation的值加一
	//如果numInvocation>ReflectionFactory.inflationThreshold，则会调用本地方法invoke0方法
    public Object invoke(Object driversList, Object[] var2) throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        if (++this.numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold() && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.method.getDeclaringClass())) {
            MethodAccessorImpl var3 = (MethodAccessorImpl)(new MethodAccessorGenerator()).generateMethod(this.method.getDeclaringClass(), this.method.getName(), this.method.getParameterTypes(), this.method.getReturnType(), this.method.getExceptionTypes(), this.method.getModifiers());
            this.parent.setDelegate(var3);
        }

        return invoke0(this.method, driversList, var2);
    }

    void setParent(DelegatingMethodAccessorImpl driversList) {
        this.parent = driversList;
    }

    private static native Object invoke0(Method drivers, Object driversList, Object[] var2);
} 
//ReflectionFactory.inflationThreshold()方法的返回值
private static int inflationThreshold = 15;Copy
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• 一开始if条件不满足，就会调用本地方法invoke0
• 随着numInvocation的增大，当它大于ReflectionFactory.inflationThreshold的值16时，就会本地方法访问器替换为一个运行时动态生成的访问器，来提高效率
  • 这时会从反射调用变为正常调用，即直接调用 Reflect1.foo()

五、内存模型

5.1、java内存模型

Java内存模型是 Java Memory Model（JMM），屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

5.1.1、原子性

public class Demo4_1 {
    static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                i++;
            }
        });


        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                i--;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(i);
    }
}
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以上的结果可能是整数、负数、零。因为Java中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。

例如对于i++而言(i为静态变量)，实际会产生如下的JVM字节码指令:

getstatic	i 	//获取静态变量i的值
iconst_1     	//准备常量1
iadd			//加法
putstatic	i   //将修改后的值存入静态变量i
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而对应i–也是类似:

getstatic	i 	//获取静态变量i的值
iconst_1		//准备常量1
isub			//减法
putstatici 	i	//将修改后的值存入静态变量i
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而java的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和线程内存中进行数据交换

如果是单线程以上代码顺序执行没有问题

5.2、可见性

可见性指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。

public class Demo4_2 {
    static boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (run) {

            }
        });
        
        t.start();

        Thread.sleep(1000);
        run = false;  //线程不会如预想的停下来
    }
}
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分析一下：

1. 初始状态，t线程刚开始从主内存读取了run的值到工作内存。

   

2. 因为t线程要频繁从主内存中读取run的值，JIT编译器会将run的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中run的访问，提高效率

   

3. 1秒之后，main线程修改了run的值，并同步至主存，而t是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值

volatile

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存找查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作volatile变量都是直接操作主存

它保证的是多个线程之间，一个线程对volatile变量的修改对另一个线程可见，不能保证原子性，仅用在一个写线程，多个读线程的情况

注意：

synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是synchronizde是属于重量级操作，性能相对更低

如果在前面示例的死循环中加入System.out.p=intIn()会发现即使不加volatile修饰符，线程t 也能正确看到对run变量的修改了，想一想为什么?

public void println(int var1) {
    synchronized(this) {
        this.print(var1);
        this.newLine();
    }
}
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5.3、有序性

指令重排

指令重排：执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器在不影响正确性的前提下，常常会对指令做重排序

借助java并发压测工具jcstress https://github.com/openjdk/jcstress

并发测试工具：jcstress

mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress -DarchetypeArtifactId=jcstress-java-test-archetype -DgroupId=org.sample -DartifactId=test -Dversion=1.0
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    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jcstressgroupId>
        <artifactId>jcstress-coreartifactId>
        <version>0.5version>
    dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jcstressgroupId>
        <artifactId>jcstress-samplesartifactId>
        <version>0.5version>
    dependency>
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@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
    int num = 0;
    boolean ready = false;

    @Actor
    public void actor1(I_Result r) {
        if (ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }

    @Actor
    public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true;
    }
}
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执行

mvn clean install
java -jar target/jcstress.jar
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可以看到，出现结构为0的情况有638次，虽然次数相对很少，但毕竟是出现了。

解决方法

volatile修饰的变量，可以禁用指令重排

有序性理解

同一个线程内，JVM会在不影响正确性的前提下，调整语句的执行顺序

static int i;
static int j;

// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...;
j = ...;
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可以看到，至于是先执行 i 还是先执行 j， 对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时，即可以是

i = ...;  //较为耗时的操作
j = ...;
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2

也可以是

j = ...;
i = ...;  //较为耗时的操作
1
2

这种特性称之为『指令重排』，多线程下『指令重排』会影响正确性。

dubble-checked locking实现单例

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private volatile static Singleton INSTANCE;

    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}
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happens-before

happens-before规定了哪些写操作对其他线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结：

• 线程解锁m之前变量的写， 对于接下来对m加锁的其他线程该变量的读可见

  static int x;
  static Object m = new Object();
  
  new Thread(()->{
      synchronized(m){
          x=10;
      }
  }, "t1").start();
  
  
  new Thread(()->{
      synchronized(m){
          System.out.println(x);
      }
  }, "t2").start();
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• 线程对volatitle变量的写，对接下来其他线程对该变量的读可见

  volatile static int x;
  
  new Thread(()->{
      x=10;
  }, "t1").start();
  
  
  new Thread(()->{
      System.out.println(x);
  }, "t2").start();
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• 线程start前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见

  static int x;
  
  x = 10;
  
  new Thread(()->{
      System.out.println(x);
  },"t2").start();
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• 线程结束前对变量的写，对其他线程得知它结束后的读可见（比如其他线程调用t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束）

  static int x;
  
  Thread t1 = new  Thread(()->{
      x=10;
  },"t1");
  
  t1.start();
  
  t1.join();
  System.out.println(x);
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• 线程t1打断t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知t2被打断后对变量的读可见（通过t2.interrupted或t2.isInterrupted）

  static int x;
  
  public static void main(String[] args){
      Thread t2 = new Thread(()->{
          while(true){
              if(Thread.currentThread().isInterrupted()){
                  System.out.println(x);
                  break;
              }
          }
      },"t2");
      t2.start();
      
      new Thread(()->{
          try{
              Thread.sleep(1000);
          }catch(InterruptedException e){
              e.printStackTrace();
          }
          x = 10;
          t2.interrupt();
      },"t1").start();
      
      while(!t2.isInterrupted()){
          Thread.yield();
      }
      System.out.println(x);
  }
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• 对变量默认值（0，false，null）的写，对其他线程对该变量的读可见

• 具有传递性，如果x hb-> y 并且 y hb -> z 那么有 x hb -> z

  • 变量指成员变量和静态成员变量

5.4、CAS与原子类

5.4.1、CAS

CAS即Compare and Swap， 它体现的一种乐观锁的思想，比如多个线程要对一个共享的整型变量执行+1操作：

// 需要不断尝试
while (true) {
    int 旧值 = 共享变量;  // 比如拿到了当前值0
    int 结果 = 旧值 + 1; // 在旧值0的基础上增加1，正确结果是1
}

/**
 * 这时候如果别的线程把共享变量改成了5，本线程的正确结果 1 就作废了，这时候
 * compareAndSwap 返回 false，重新尝试，直到：
 * compareAndSwap 返回 true，表示我本线程做修改的同时，别的现场没有干扰
 */
if (compareAndSwap(旧值, 结果)) {
    // 成功，退出循环
}
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获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用volatile修饰。结合CAS和volatile可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核CPU的场景下。

• 因为没有使用synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
• 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会收影响

CAS底层依赖于一个Unsafe类来直接调用操作系统底层的CAS指令，下面是直接使用Unsafe对象进行线程安全保护的一个例子

public class TestCAS {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DataContainer dc = new DataContainer();
        int count = 5;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dc.increase();
            }
        });

        t1.start();
        t1.join();
        System.out.println(dc.getData());
    }
}

class DataContainer {
    private volatile int data;
    static Unsafe unsafe = null;
    static final long DATA_OFFSET;

    static {
        try {
            // Unsafe对象不能直接调用，只能通过反射获得
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (IllegalAccessException | NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try {
            // data属性在DataContainer 对象中的偏移量，用于Unsafe直接访问该属性
            DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(DataContainer.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public void increase() {
        int oldValue;
        while (true) {
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改data调试来加深理解
            oldValue = data;
            // cas尝试修改data 为 旧值+1，如果期间旧值被别的线程改了，返回false
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue + 1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public void decrease() {
        int oldValue;
        while (true) {
            oldValue = data;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - 1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public int getData() {
        return data;
    }

}
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5.4.2、乐观锁与悲观锁

• CAS是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗
• synchronized是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得放着其他线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解锁，你们才有机会。

5.4.3、原子操作类

JUC中提供了原子操作类，可以提供线程安全的操作，例如：AtomicInteger、AtomicBoolean等，它们底层就是采用CAS技术+volatile来实现的。

public class TestAtomic {
    private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i.getAndIncrement();    // 获取并且自增  i++
//                i.incrementAndGet();  // 自增并且获取  ++i
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i.getAndDecrement();     // 获取并且自减   i--
//                i.decrementAndGet();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
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5.5、sunchronized优化

Java HotSpot 虚拟机中，每个对象都有对象头(包括class指针和Mark Word)。Mark Word平时存储这个对象的哈希码、分代年龄，当加锁时，这些信息就根据情况被替换为标记位、线程锁记录指针、重量级锁指针、线程ID等内容

5.5.1、轻量级锁

如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的(也就是没有竞争)，那么可以使用轻量级锁来优化。这就好比:

学生（线程A）用课本占座，上了半节课，出门了(CPU时间到)，回来一看，发现课本没变，说明没有竞争，继续上他的课。

如果这期间有其它学生(线程B)来了，会告知（线程A）有并发访问，线程A随即升级为重量级锁，进入重量级锁的流程。

而重量级锁就不是那么用课本占座那么简单了，可以想象线程A走之前，把座位用一个铁栅栏围起来

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static Object obj = new Object();
public static void method1(){
    synchronized(obj){
        // 同步块A
        method2();
    }
}
public static void method2(){
    synchronized(obj){
        // 同步块B
    }
}
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每个线程中的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

5.5.2、锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁(有竞争)，这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1(){
    synchronized(obj){
    }
}
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5.5.3、重量级锁

重量级锁竞争的时候，还是使用自旋锁来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

在Java6之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

• 自旋会占用CPU时间，单核CPU自旋就是浪费，多核CPU自旋才能发挥优势。
• 好比等红灯时汽车是不是熄火，不熄火相当于自旋（等待时间短了划算），熄火了相当于阻塞（等待时间长了划算）
• Java7之后不能控制是否开启自旋功能

5.5.4、偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行CAS操作，Java6中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不用重新CAS。

• 撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁，这个过程中所有线程需要暂停（STW）
• 访问对象的hashCode也会撤销偏向锁
• 如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程T1的对象仍有机会重新偏向T2，重偏向会重置对象的Thread Id
• 撤销偏向和重偏向都是批量进行的，以类为单位
• 如果撤销偏向到达某个阈值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的
• 可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

5.5.5、其他优化

1. 减少上锁时间

   同步代码块中尽量短

2. 减少锁的粒度

   将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如：

   • ConcurrentHashMap
   • LongAdder分为base和cells两部分。没有并发争用的时候或者是cells是数组正在初始化的时候，会使用CAS类累加值到base，有并发争用，会初始化cells数组，数组有多少个cell，就允许有多少线程并行修改，最后将数组中 每个cell累加，再加上base就是最终的值。
   • LinkedBlockingQueue入队和出队使用不同的锁，相对于LinkedBlockingArray只有一个锁效率要高

3. 锁粗化

   多次循环进入同步块哺乳同步块内多次循环

   另外JVM可能会做如下优化，把多次append的加锁操作粗化为一次（因为都是对同一个对象加锁，没必要重入多次）

   new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");
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4. 锁消除

   JVM会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其他线程锁访问到，这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。

5. 读写分离

   CopyOnWriteArrayList

   ConyOnWriteSet