《码出高效：Java开发手册》 四-走进JVM

前言

JVM是java中底层的知识，这里的内容比较复杂，对于一些软件编程，会经常使用，但很多业务其实碰不到这里的知识，下图为目录

介绍

JVM，java虚拟机，它的前身是99年的hotspot java虚拟机，之后被oracle收购后，形成了现在的OpenJDK使用的主流JVM
一些商业公司都有自己的定制版本，比如阿里有AJDK

字节码

之前讲01是最底层的信号，而再向上就是机器码，不同的操作系统，硬件都会对应不同种类的机器码，这就需要针对多种平台编写不同代码，而jvm可以做到在不同平台都字节码来运行，字节码bytecode大小为一个字节（8位），可以存储256种不同的指令，java有200个左右的指令

• 主要的字节码指令
  1.加载和存储指令
  将局部变量加载到操作栈中：如ILOAD，ALOAD等
  将操作栈顶存储到局部变量表：ISTORE，ASTORE等
  常量加载到操作栈顶，使用频率高：ICONST，BIPUSH，SIPUSH，LDC等
  2.运算指令
  3.类型转换指令
  4.对象创建与访问指令
  5.操作栈管理指令
  6.方法调用与返回指令
  7.同步指令
  -编写好的java文件是源代码，需要转换为字节码才能给机器执行，转化流程如下
  

字节码需要通过类加载过程加载到JVM环境后，才可以执行
执行方法有三种：
解释执行
JIT编译执行
JIT与解释执行混合（主流JVM默认执行方式）

• JIT作用是将字节码动态编译成可以直接发给处理器指令执行的机器码，简要流程如下
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  书中讲了一个实例：机器在刚启动时，负载比较低，之后会慢慢升高，有程序员在发布时直接分为两批发布，导致前一半机器宕机，说明了JVM刚启动时，JIT动态编译和热点代码统计还没开始，此故障说明了JIT的存在

类加载过程

任何程序都需要加载到内存才能与CPU进行交流，字节码.class文件同样需要加载到内存中，才可以实例化类

• Java的类加载器主要有三个流程，Load，Link，Init
• Load，加载类文件的二进制流，转化为特定数据结构，校验各种参数后，创建对应类的java.lang.Class实例
• Link，包括准备，验证，解析三步，这里的验证相比之前更加详细，对类型，变量进行检查，准备就是分配内存，布局内存结构
• Init，执行构造器clinit方法，如果有其他类的静态方法参与，就解析另外一个类
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  这里还讲了class是Class（注意大小写）的对象，也就是类是Class的抽象
  这里不太明白，只留下大概代码，以后去理解
  
  
  执行结果是
  
  这个示例说明了类的一些加载特性，类加载器把类的实现和定义解耦了，同时可以用2的方法获取注解，方法等
  类加载器的结构，分Bootstrap，platform ClassLoader（平台类加载器），Application ClassLoader的应用类加载器。用户也可以自定义类加载器，查看本地类加载器方式如下：
  
  JDK8下的输出
  
  下图显示的是类加载器间的关系
  
• 低层次的类加载器在加载类之前会向上逐级询问,这个类是否以加载
  高层次类加载器会检查是否已经加载此类，以及是是否可以加载此类
  通常流程是：向上问是否已加载此类，如果没有，之后向下问是否可加载，如果不能，就让当前类加载器去加载这个类，当然实际类库比图中要多
• Bootstrap加载的路径可以追加，不建议修改或者删除原有路径
• 自定义类加载器的情况
  1.隔离加载类：在某些框架中进行中间件与应用模块隔离，比如需要确保应用依赖的jar包不会影响中间件运行时使用的jar包
  2.修改类加载方式，Boostrap外的加载并非一定要引入
  3.扩展加载源，比如从数据库，网络甚至机顶盒进行加载
  4.防止源代码泄露
• 实现自定义类加载器的步骤：继承ClassLoader ，重写findClass（）方法，调用defineClass（） 方法。
• 如下为一个简单的类加载器
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内存布局

上图即为经典JVM布局

• 堆：堆区是OOM故障多发地，大量创建对象，容易消耗完堆内存，可以调整大小，-xms，-xmx，一般保持一样大小，在线上环境可以避免GC后调整堆大小时带来额外压力
  堆里对象的晋升流程如图
• 给JVM 设置运行参数－XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError ，可以让JVM在OOM异常时能输出堆内信息
• • 元空间
    元空间的前身是永久代，由于很难调优，经常出现致命错误，后来用元空间替代后，转为再本地内存中分配
    3.JVM Stack(虚拟机栈)
    栈就是先进后出，像弹夹一样，它是线程私有的，用于进行方法调用
    栈帧：就是栈顶的，只有这里的帧才是有效的，也就是当前栈帧，它是方法运行的基本结构，执行引擎运行时，只能操作当前栈帧
    StackOverflowError表示请求的栈溢出，导致内存耗尽，通常出现在递归方法中
• 栈帧包括了局部变量表，操作栈，动态连接，方法返回地址等
• 局部变量表：存放方法参数和局部变量
• 操作栈：初始状态为空的桶式结构栈，里面会压入弹出一些指令，与局部变量表进行交互
  以一个常见的面试题：i++和++i为例子，在字节码层面是这样的
  
  左边：局部变量表中取出一个数，压入栈顶，下一步实现+1操作，对栈顶元素无影响，接下来把栈顶元素赋值给a
  右边：先做完+1操作后，压入栈顶，之istore_2后存进去的就是i+1的值
  这里i++不是原子操作，即使用volatile修饰，多个线程下也会产生数据覆盖问题
• 动态连接：每个栈帧中有一个对当前方法的应用，就是动态连接
• 方法返回地址：方法执行时有两种退出情况：正常退出和异常退出
  4.本地方法栈
  本地方法栈是线程私有的，虚拟机栈主JVM内部，本地方法栈则主JVM外部
  5 .程序计数器
  这里的计数器指的是CPU的寄存器，这里主要是保证指令之间连贯执行，多线程之间互不影响
  从公有私有角度可以为JVM分为以下
  

对象实例化

从Object ref = new Object（）分析，查看字节码如下

• 从字节码角度看待对象创建过程
  new：无CLass对象则进行类加载，之后分配堆内存，零值初始化，将指向实例变量的引用变量压入虚拟机栈顶
  Dup：在栈顶复制该引用变量，如果 方法有参数，需要把参数压入操作栈，两个引用变量的目的不同，压至底下的用于赋值，栈顶的作为句柄调用相关方法
  INVOKESPECIAL：调用对象实例方法，通过栈顶调用init方法，clinti是类初始化方法，inti是对象初始化方法
• 从执行步骤分析对象创建过程
  确定类元信息是否存在，这里找不到class文件就会抛出ClassNotFound异常
  分配对象内存，计算对象占用空间，在堆中划分内存，这里有同步操作，一般是CAS失败重试或者区域加锁等
  设定默认值
  设置对象头，包括哈希码，GC，锁信息，类元信息
  执行init方法，初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，引用变量接收对象首地址

垃圾回收

垃圾回收，简称GC，判断内存不足且虚拟机空闲时，就会清除不再使用的对象，自动释放内存

• 判断逻辑：GC Roots，对象与其roots之间没有引用关系（包括间接），就可以被回收
• 回收方法：标记清除：直接清除不用的对象，会产生大量内存碎片
  标记整理：将可以存活对象整理到内存一端，把边界之外的都清除掉
  复制：MArk-coy，分两块空间，回收时把可存活对象放到另一块上，之后清除原对象
  新生代使用复制，老生代标记整理
• 垃圾回收器：有数十种，常用的有serial，CMS，G1

G1采用标记清除，可以配置－XX :+UseCMSCompactAtFul!Collection参数，强制full gc后对老年代进行压缩，也就是空间碎片整理，可以配置XX : +CMSFul!GCsBeforeCompaction=n 参数，防止频繁整理引发STW（暂停整个应用程序执行）