深入理解JVM-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/cowbin2012/article/details/103399097

学习JVM的目的也很简单：

能够知道JVM是什么，为我们干了什么，具体是怎么干的。能够理解到一些初学时不懂的东西
在面试的时候有谈资
能装逼

一、简单聊聊JVM

1.1先来看看简单的Java程序

package cn.myframe.demo;

public class D5 {    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("this is D5");
    }
}

我们在初学的时候肯定用过javac来编译.java文件代码，用过java命令来执行编译后生成的.class文件。

java cn.myframe.demo.D5,不需要.class而且要在cn的上级目录执行命令

1.2编译过程

.java文件是由Java源码编译器(上述所说的java.exe)来完成，流程图如下所示：

在这里插入图片描述

1.2.1编译时期-语法糖

语法糖可以看做是编译器实现的一些“小把戏”，这些“小把戏”可能会使得效率“大提升”。

最值得说明的就是泛型了，这个语法糖可以说我们是经常会使用到的！

泛型只会在Java源码中存在，编译过后会被替换为原来的原生类型（Raw Type，也称为裸类型）了。这个过程也被称为：泛型擦除。

有了泛型这颗语法糖以后：

代码更加简洁【不用强制转换】
程序更加健壮【只要编译时期没有警告，那么运行时期就不会出现ClassCastException异常】
可读性和稳定性【在编写集合的时候，就限定了类型】

1.3JVM实现跨平台

至此，我们通过java.exe编译器编译我们的.java源代码文件生成出.class文件了！

这些.class文件很明显是不能直接运行的，它不像C语言(编译cpp后生成exe文件直接运行)

这些.class文件是交由JVM来解析运行！

JVM是运行在操作系统之上的，每个操作系统的指令是不同的，而JDK是区分操作系统的，只要你的本地系统装了JDK，这个JDK就是能够和当前系统兼容的。
而class字节码运行在JVM之上，所以不用关心class字节码是在哪个操作系统编译的，只要符合JVM规范，那么，这个字节码文件就是可运行的。
所以Java就做到了跨平台—>一次编译，到处运行！

1.4class文件和JVM的恩怨情仇

1.4.1类的加载时机

虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(class文件加载到JVM中)：

创建类的实例(new 的方式)。访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值，调用类的静态方法
反射的方式
初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类，直接使用java.exe命令来运行某个主类（包含main方法的那个类）
当使用JDK1.7的动态语言支持时(…)

所以说：

Java类的加载是动态的，它并不会一次性将所有类全部加载后再运行，而是保证程序运行的基础类(像是基类)完全加载到jvm中，至于其他类，则在需要的时候才加载。这当然就是为了节省内存开销

1.4.2如何将类加载到jvm

class文件是通过类的加载器装载到jvm中的！

Java默认有三种类加载器：

在这里插入图片描述

各个加载器的工作责任：

1）Bootstrap ClassLoader：负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类
2）Extension ClassLoader：负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
3）App ClassLoader：负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

1. src路径下的文件在编译后都会放到 WEB-INF/classes 路径下。默认classpath 就是指这里。
2. 用maven构建项目时，resources目录就是默认的classpath

工作过程：

1、当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
2、当ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
3、如果BootStrapClassLoader加载失败（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用ExtClassLoader来尝试加载；
4、若ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载
5、如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException

其实这就是所谓的双亲委派模型。简单来说：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，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上。

好处：

防止内存中出现多份同样的字节码(安全性角度)

特别说明：

类加载器在成功加载某个类之后，会把得到的 java.lang.Class类的实例缓存起来。下次再请求加载该类的时候，类加载器会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载。

1.4.2类加载详细过程

加载器加载到jvm中，接下来其实又分了好几个步骤：

加载，查找并加载类的二进制数据，在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象。
连接，连接又包含三块内容：验证、准备、初始化。

- 1）验证，文件格式、元数据、字节码、符号引用验证；
- 2）准备，为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；
- 3）解析，把类中的符号引用转换为直接引用

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值。

在这里插入图片描述

1.4.3 JIT即时编辑器

Just in time编译，也叫做运行时编译，不同于 C / C++ 语言直接被翻译成机器指令，javac把java的源文件翻译成了class文件，而class文件中全都是Java字节码。那么，JVM在加载了这些class文件以后，针对这些字节码，逐条取出，逐条执行，这种方法就是解释执行。

还有一种，就是把这些Java字节码重新编译优化，生成机器码，让CPU直接执行。这样编出来的代码效率会更高。通常，我们不必把所有的Java方法都编译成机器码，只需要把调用最频繁，占据CPU时间最长的方法找出来将其编译成机器码。这种调用最频繁的Java方法就是我们常说的热点方法（Hotspot，说不定这个虚拟机的名字就是从这里来的）。

这种在运行时按需编译的方式就是Just In Time。

一般我们可能会想：JVM在加载了这些class文件以后，针对这些字节码，逐条取出，逐条执行–>解析器解析。

但如果是这样的话，那就太慢了！

我们的JVM是这样实现的：

就是把这些Java字节码重新编译优化，生成机器码，让CPU直接执行。这样编出来的代码效率会更高。
编译也是要花费时间的，我们一般对热点代码做编译，非热点代码直接解析就好了。

热点代码解释：一、多次调用的方法。二、多次执行的循环体

使用热点探测来检测是否为热点代码，热点探测有两种方式：

采样
计数器

目前HotSpot使用的是计数器的方式，它为每个方法准备了两类计数器：

方法调用计数器（Invocation Counter）
回边计数器（Back EdgeCounter）。
在确定虚拟机运行参数的前提下，这两个计数器都有一个确定的阈值，当计数器超过阈值溢出了，就会触发JIT编译。

在这里插入图片描述

1.5类加载完以后JVM干了什么？

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。

1.5.1JVM的内存模型

首先我们来了解一下JVM的内存模型的怎么样的：

基于jdk1.8画的JVM的内存模型—>我画得比较细。

简单看了一下内存模型，简单看看每个区域究竟存储的是什么(干的是什么)：

堆：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存
虚拟机栈：虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息
本地方法栈：本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。
方法区：存储已被虚拟机加载的类元数据信息(元空间)
程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器

1.5.2例子中的流程

在这里插入图片描述

我来宏观简述一下我们的例子中的工作流程：

1、通过java.exe运行Java3yTest.class，随后被加载到JVM中，元空间存储着类的信息(包括类的名称、方法信息、字段信息…)。
2、然后JVM找到Java3yTest的主函数入口(main)，为main函数创建栈帧，开始执行main函数
3、main函数的第一条命令是Java3y java3y = new Java3y();就是让JVM创建一个Java3y对象，但是这时候方法区中没有Java3y类的信息，所以JVM马上加载Java3y类，把Java3y类的类型信息放到方法区中(元空间)
4、加载完Java3y类之后，Java虚拟机做的第一件事情就是在堆区中为一个新的Java3y实例分配内存, 然后调用构造函数初始化Java3y实例，这个Java3y实例持有着指向方法区的Java3y类的类型信息（其中包含有方法表，java动态绑定的底层实现）的引用
5、当使用java3y.setName("Java3y");的时候，JVM根据java3y引用找到Java3y对象，然后根据Java3y对象持有的引用定位到方法区中Java3y类的类型信息的方法表，获得setName()函数的字节码的地址
6、为setName()函数创建栈帧，开始运行setName()函数

从微观上其实还做了很多东西，正如上面所说的类加载过程（加载–>连接(验证，准备，解析)–>初始化)，在类加载完之后jvm为其分配内存(分配内存中也做了非常多的事)。由于这些步骤并不是一步一步往下走，会有很多的“混沌bootstrap”的过程，所以很难描述清楚。

1.6简单聊聊各种常量池

在写这篇文章的时候，原本以为我对String s = "aaa";类似这些题目已经是不成问题了，直到我遇到了String.intern()这样的方法与诸如String s1 = new String("1") + new String("2");混合一起用的时候

我发现，我还是太年轻了。

public static void main(String[] args) {
    String s = new String("1");
    s.intern();
    String s2 = "1";
    System.out.println(s == s2);

    String s3 = new String("1") + new String("1");
    s3.intern();
    String s4 = "11";
    System.out.println(s3 == s4);
}