《码出高效-Java开发手册》走进JVM有感

走进JVM

字节码

Java 所有的指令有200个左右，一个字节可以存储256种不同的指令信息，一个这样的字节称为字节码（中间码）。在代码的执行过程中，JVM将字节码解释执行，屏蔽对底层操作系统的依赖，JVM 也可以将字节码编译执行，如果是热点代码，会通过JIT 动态地编译为机器码，提高执行效率

字节码主要指令如下：

• 加载或存储指令

  在某个栈帧中，通过指令操作数据在虚拟机栈的局部变量表与操作栈之间来回传输，常用指令如下：

  • 将局部变量加载到操作栈中。
  • 从操作栈顶存储到局部变量表
  • 将常量加载到操作栈顶，这是极为高频使用的指令

• 运算指令： 对两个操作栈帧上的值进行运算，并把结果写入操作栈顶IADD、IMUL

• 类型转换指令 显示转换两种不同的数值类型

• 对象创建于访问指令

  • 创建对象指令 NEW NEWARRAY
  • 访问属性指令 GETFIELD、PUTFIELD 等
  • 检查实例类型指令

• 操作栈管理指令

  • 出栈指令
  • 赋值栈顶元素并压入栈

• 方法调用与返回指令

• 同

• 详细见 P125《码出高效： JAVA开发手册》

Java源文件 ----> 词法解析-- token流 -> 语法解析 -----> 语义分析 -----> 生成字节码 ----> 字节码

详细见P126

类加载过程

任何程序都需要加载到内存中才能与CPU进行交流。字节码 .class 文件同样需要家长到内存中，才可以实例化类。ClassLoader 就是提前加载 .class 文件到内存中

过程： 加载、链接、初始化

• 加载： 读取类文件产生的二进制流，并转为特定的数据结构，初步校验cafe babe 魔法值，常量池、文件长度、是否有父类等，然后创建对应类的实例
• 链接包括验证、准备、解析三个过程。验证是更详细的校验，比如final 是否合规，类型是否正确、静态变量是否合理等；准备结果是为静态变量分配内存，并设定默认值，解析类和方法确保类与类之间的相互引用正确性，完成内存结构布局
• 初始化结果，执行类构造器方法，如果赋值运算是通过其他类的静态方法来完成的，那么会马上解析另一个类，在虚拟机栈中执行完毕后通过返回值进行赋值

内存布局

• Heap （堆区）

  是OOM 故障的主要发源地，它存储着几乎所有的实例对象，堆由垃圾收集器自动回收，堆区各子线程共享使用。通常它的占用的空间是所有内存区域最大的，但是如果无节制的创建实例那么也将会消耗完内存导致OOM。可以在运行时动态的设置它的大小，-Xms256M - Xmx1024M 表示设定初始值和最大值。服务器在运行过程中，退空间不断地扩容和回缩，势必形成不必要的系统压力，所以在线上生产环境中，JVM 的Xms和Xmx 设置为一样大小，避免在GC 后调整堆大小时带来的额外压力。

  （下图：这里的放得下指的是当创建一个大对象时候，内存区域是否能够容纳得下）

• Metaspace（元空间）

  元空间的前身是Perm区（被称为永久代），在JDK7 及之前的版本中才有Perm，现在的版本使用了Metaspace。因为Perm 在某些场景下，如果动态加载类过多，容易产生Perm 区的OOM（为了解决需要设定参数 -XX：MaxPermSize = 1280m），如果部署到新机器上，往往会因为JVM 参数没有修改导致故障再现，不熟悉此应用的人很难排查。所以，元空间就诞生了。元空间在本地内存中分配。

• JVM Stack （虚拟机栈）

  栈的特性是先进后出的数据结构，JVM 是基于栈结构的院系环境。JVM 中的虚拟机栈是描述Java方法执行的内存区域，它是线程私有的。栈中的元素用于支持虚拟机进行方法调用，每个方法从开始调用到执行完成的过程。就是栈帧从入栈到出栈的过程。活动线程中只有位于栈顶的帧才是有效的，称为当前栈帧。正在执行的方法称为当前方法。

  虚拟机栈通过压栈和出栈的方式，对每个方法对应的活动栈帧进行运算处理，方法正常执行结束，肯定会跳转到另一个栈帧上。在执行过程中，如果出现异常，会进行异常回溯，返回地址通过异常处理表确定。

  • 局部变量表： 存放方法参数和局部变量的区域
  • 操作栈 ： 一个初始状态为空的桶式结构栈。在方法执行过程中，会有各种指令往栈中写入和提取信息。
  • 动态连接：每一个栈帧包含一个常量池中对当前方法的引用，目的是支持方法调用过程的动态连接
  • 方法返回地址： 方法执行有两种退出情况： 1. 正常退出。2.异常退出。 无论何种退出情况都将返回到方法当前被调用的位置。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧。

• 本地方法栈

  Native Method Stack 在JVM内存布局中，也是线程对象私有的。被称为Native 方法服务，线程开始调用本地方法时，会进入一个不再受JVM约束的世界。本地方法可以通过JNI来访问虚拟机运行时的数据区，甚至可以调用寄存器，具有和JVM相同的能力和权限。

• 程序计数寄存器

  每一个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器用来存放执行指令的偏移量和行号指示器，程序的执行或者恢复都要依赖程序计数器。程序计数器在哥线程之间互不影响，此区域不会发生内存溢出异常。

  从线程共享的角度来看，堆空间和元空间都所有线程共享的，而虚拟机栈和本地方法栈，程序计数器是线程内部私有的。

对象实例化

实例化对象过程

• 确认类元信息是否存在。当JVM接受到new指令时，首先在metaspace 内检查需要创建的类元信息是否存在。若不存在，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader +包名+类名为key 进行查找对应的.class 文件，如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException 异常，如果找到，则进行类加载并生成对应的Class 类对象。
• 分配对象内存。首先计算对象占用空间大小，如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。在分配内存空间时，需要进行同步操作，比如采用CAS失败重试，区域加锁等方式保证分配操作的原子性。
• 设定默认值。成员变量值都需要设定默认值，即各种不同形式的零值。
• 设置对象头。设置新对象的哈希码，GC信息，锁信息，对象所属的类元信息等。这个过程的具体设置方式取决JVM实现。
• 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，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。

垃圾回收

Java 会对内存进行自动分配与回收管理，使上层业务更加安全，方便地使用内存实现程序逻辑。GC 主要目的是清除不再使用的对象，自动释放内存。

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