深入理解Java虚拟机(第三版)学习笔记

深入理解Java虚拟机_学习笔记

  • 第一部分 走近Java
    • 第1章 走近Java
      • 1.1 Java技术体系
  • 第二部分 自动内存管理
    • 第2章 Java内存区域与内存溢出异常
      • 2.1 运行时数据区域
        • 2.1.1 程序计数器(Program Counter Register)
        • 2.1.2 Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)
        • 2.1.3 本地方法栈(Native Method Stacks)
        • 2.1.4 Java堆(Java Heap)
        • 2.1.5 方法区(Method Area)
        • 2.1.6 运行时常量池(Runtime Constant Pool)
        • 2.1.7 直接内存(Direct Memory)
      • 2.2 HotSpot虚拟机对象
        • 2.2.1 对象的创建
        • 2.2.2 对象的内存布局
        • 2.2.3 对象的访问定位

第一部分 走近Java

第1章 走近Java

1.1 Java技术体系

根据Java各个组成部分的功能划分:

  • Java程序设计语言
  • 各种硬件平台上的Java虚拟机实现
  • Class文件格式
  • Java类库API
  • 来自商业机构和开源社区的第三方Java类库

我们可以把Java程序设计语言、Java虚拟机、Java类库这三部分统称为JDK(Java Development Kit),JDK是用于支持Java程序开发的最小环境。可以把Java类库API中的Java SE API子集和Java虚拟机这两部分统称为 JRE(Java Runtime Environment),JRE是支持Java程序运行的标准环境。

按照技术所服务的领域划分:

  • Java Card:支持Java小程序(Applets)运行在小内存设备(如智能卡)上的平台
  • Java ME(Micro Edition):支持Java程序运行在移动终端(手机、PDA)上的平台,对Java API 有所精简,并加入了移动终端的针对性支持,这条产品线在JDK 6以前被称为J2ME。现在在智能手机上非常流行的、主要使用Java语言开发程序的Android并不属于Java ME。
  • Java SE(Standard Edition):支持面向桌面级应用(如Windows下的应用程序)的Java平台,提 供了完整的Java核心API,这条产品线在JDK 6以前被称为J2SE。
  • Java EE(Enterprise Edition):支持使用多层架构的企业应用(如ERP、MIS、CRM应用)的 Java平台,除了提供Java SE API外,还对其做了大量有针对性的扩充,并提供了相关的部署支持, 这条产品线在JDK 6以前被称为J2EE,在JDK 10以后被Oracle放弃,捐献给Eclipse基金会管理,此后被 称为Jakarta EE。

第二部分 自动内存管理

第2章 Java内存区域与内存溢出异常

2.1 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干不同的数据区域。
深入理解Java虚拟机(第三版)学习笔记_第1张图片

2.1.1 程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器可以看作是当前线程执行的字节码的行号指示器,是一块较小的内存空间。在Java虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是通过改变程序计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,它是程序控制流的指示器,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一 个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是本地(Native)方法,这个计数器值则应为空(Undefined)。此内存区域是唯 一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

2.1.2 Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)

线程私有,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。
每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、 float、long、double)、对象引用(reference类型,它并不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始 地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot) 来表示,其中64位长度的long和 double类型的数据会占用两个变量槽,其余的数据类型只占用一个局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定 的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
在《Java虚拟机规范》中,对这个内存区域规定了两类异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚 拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展,当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

2.1.3 本地方法栈(Native Method Stacks)

与虚拟机栈基本相似,只是虚拟机栈为执行Java方法(字节码)服务,本地方法栈为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务。

与虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowErrorOutOfMemoryError异常。

2.1.4 Java堆(Java Heap)

对于Java应用程序来说,Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。
线程共享,在虚拟机启动时创建。
堆上存储的只能是对象的实例,所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配。
Java堆是垃圾收集器管理的内存区域,也称为GC堆。
从内存分配的角度看,所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区,以提升对象分配时的效率。

2.1.5 方法区(Method Area)

线程共享,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。如果方法区无法满足新的内存分配需求时,将抛出 OutOfMemoryError异常。

2.1.6 运行时常量池(Runtime Constant Pool)

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项常量池表,用于存放编译器生成的各种字面量、符号引用以及由符号引用翻译出来的直接引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
当常量池无法再申请到内存 时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.1.7 直接内存(Direct Memory)

并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是内存区域。但这部分内存被频繁使用,也可能会导致OutOfMemoryError异常出现。
本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但是,既然是内存,则肯定还是会受到 本机总内存(包括物理内存、SWAP分区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制,一般服务 器管理员配置虚拟机参数时,会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息,但经常忽略掉直接内存,使得 各个内存区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统级的限制),从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError异常。

2.2 HotSpot虚拟机对象

2.2.1 对象的创建

Java虚拟机遇到一条字节码new指令时,首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过如果没有,那么必须先执行相应的类加载过程。
类加载检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定,为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。
假设Java堆中内存是绝对规整的,所有被使用过的内存都被放在一边,空闲的内存放在另一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器, 那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲的方向挪动一段与对象大小相等的距离,这种分配方式称为==“指针碰撞”(Bump The Pointer)。
如果Java堆中的内存并不是规整的,已经使用过的内存与空闲内存相互交错在一起,无法使用指针碰撞,虚拟机必须维护一个列表,记录哪些内存是可用的,在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例,并更新列表上的记录,这种分配方式称 为
“空闲列表”==(Free List)。
选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定,而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理(Compact)的能力决定。因此,当使用Serial、ParNew等带压缩 整理过程的收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,既简单又高效;而当使用CMS这种基于清除 (Sweep)算法的收集器时,理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。
除如何划分可用空间之外,还有另外一个需要考虑的问题:对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为,即使仅仅修改一个指针所指向的位置,在并发情况下也并不是线程安全的,可能出现正在给对象 A分配内存,指针还没来得及修改,对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种可选方案:一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败 重试的方式保证更新操作的原子性;另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行,即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,称为本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,TLAB),哪个线程要分配内存,就在哪个线程的本地缓冲区中分配,只有本地缓冲区用完了,分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB,可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
内存分配完成之后,虚拟机必须将分配到的内存空间(但不包括对象头)都初始化为零值,如果使用了TLAB的话,这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段 在Java代码中可以不赋初始值就直接使用,使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
接下来,Java虚拟机还要对对象进行必要的设置,例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到 类的元数据信息、对象的哈希码(实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才 计算)、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)之中。根据虚拟 机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。
在上面工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来,对象创建才刚刚开始——构造函数,即Class文件中的()方法还没有执行,所有的字段都为默认的零值,对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。
一般来说(由字节 码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定,Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令,但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此),new指令之后会接着执行 ()方法,按照程序员的意愿对对象进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

2.2.2 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里,对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)
HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。
第一类是用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32个比特和64个比特,官方称它 为“Mark Word”。
对象头的另外一部分是类型指针,即对象指向它的类型元数据的指针,Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针,换句话说,查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。
实例数据部分是对象真正存储的有效信息,即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容,无论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(-XX:FieldsAllocationStyle参数)和字段在Java源码中定义顺序的影响。
对象的第三部分是对齐填充,这并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数(1倍或者 2倍),因此,如果对象实例数据部分没有对齐的话,就需要通过对齐填充来补全。

2.2.3 对象的访问定位

Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用,对象访问方式是由虚拟机实 现而定的,主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种:

  • 如果使用句柄访问的话,Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就 是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。
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  • 如果使用直接指针访问的话,Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,reference中存储的直接就是对象地址,如果只是访问对象本身的话,就不需要多一次间接访问的开销。
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    使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象访 问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。

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