黑马程序员jvm笔记（五）--类加载部分心得
11.类加载阶段
第一阶段：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
第二阶段：链接
验证
验证类是否符合 JVM规范，安全性检查,(对字节码魔数以及格式进行检查)
准备
为 static 变量分配空间，设置默认值
制备常量池但不赋值，但下面特殊情况下也会为static赋值
- 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
简单理解就是：这个阶段会对常量池进行内存地址的匹配，此时才开始为常量分配空间，才真正存在于内存中。
测试
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
ClassLoader loader = Demo1.class.getClassLoader();
//只加载不解析
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 {
}
对上面的程序，分别测试它解析后和没解析：
第三阶段：初始化
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
对上述准则的验证（注释下逐个验证）
public class Load3 {
static {
//在main类前面的静态代码块会优先初始化
System.out.println("main init");
}
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
// 1. 静态常量（基本类型和字符串）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. 创建该类的数组不会触发初始化
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("cn.itcast.jvm.t3.B");
// 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.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，会引发父类的初始化
System.out.println(B.c);
// 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
System.out.println(B.a);
// 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.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");
}
}
利用初始化的例子–懒惰单例
public final class Singleton {
private Singleton() { }
// 内部类中保存单例
private static class LazyHolder { static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); }
// 第一次调用 getInstance 方法，才会导致内部类加载和初始化其静态成员
public static Singleton getInstance() { return LazyHolder.INSTANCE; }
}
练习：判断下列是否能初始化
public class Load4 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(E.a);//不能初始化，final在准备阶段就已经赋值了
System.out.println(E.b);//不能初始化，final在准备阶段就已经赋值了
System.out.println(E.c); //能够初始化，因为封装和拆箱要涉及到初始化
} }
class E {
public static final int a = 10;
public static final String b = "hello";
public static final Integer c = 20;
}
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）
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
| 名称 | 加载的类 | 说明 |
|---|---|---|
| Bootstrap ClassLoader（启动类加载器） | JAVA_HOME/jre/lib | 无法直接访问 |
| Extension ClassLoader(拓展类加载器) | JAVA_HOME/jre/lib/ext | 上级为Bootstrap，显示为null |
| Application ClassLoader(应用程序类加载器) | classpath | 上级为Extension |
| 自定义类加载器 | 自定义 | 上级为Application |
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
要注意，因为bootstrap加载器加载时部分需要使用c++的代码帮忙运行，而没办法把类加载器名称及地址正确返回，返回null就代表了时启动类加载器。
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
双亲委派机制
双亲委派机制，指的是类加载时会向上级加载器报备，优先上级加载器加载的一种模式。
我们更加详细的来查看下：
public class Load5_3 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
Class<?> aClass = Load5_3.class.getClassLoader() .loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.H"); System.out.println(aClass.getClassLoader());
} }
loadClass源码：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先查找该类是否已经被该类加载器加载过了
Class<?> c = findLoadedClass(name);
//如果没有被加载过
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
//看是否被它的上级加载器加载过了 Extension的上级是Bootstarp，但它显示为null
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
}
//加载到bootstrap加载器时，执行else部分
else {
//看是否被启动类加载器加载过
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
//捕获异常，但不做任何处理
}
if (c == null) {
//如果还是没有找到，先让拓展类加载器调用findClass方法去找到该类，如果还是没找到，就抛出异常，诸暨下找
//然后让应用类加载器去找classpath下找该类
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// 记录时间
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
不使用双亲委派机制的特例–线程上下文类加载器
我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写loadClass
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
例子
代码：
测试：
运行期优化
分层编译
JVM 将执行状态分成了 5 个层次：
- 0层：解释执行，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）《just in time》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
- 是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），并优化这些热点代码
简单来说：就是执行次数多的代码保留机械码，多使用
例子1 ：逃逸
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));
}
}
}
上面例子创建了200次1000个object对象，因为这些对象没有外界引用，所以运行到一定次数，jit会进行优化，直接不创建对象，提高效率。
结果：
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 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
对象逃逸状态
全局逃逸（GlobalEscape）
- 即一个对象的作用范围逃出了当前方法或者当前线程，有以下几种场景：
- 对象是一个静态变量
- 对象是一个已经发生逃逸的对象
- 对象作为当前方法的返回值
参数逃逸（ArgEscape）
- 即一个对象被作为方法参数传递或者被参数引用，但在调用过程中不会发生全局逃逸，这个状态是通过被调方法的字节码确定的
没有逃逸
- 即方法中的对象没有发生逃逸
逃逸分析优化
针对上面第三点，当一个对象没有逃逸时，可以得到以下几个虚拟机的优化
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 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
对象逃逸状态
全局逃逸（GlobalEscape）
- 即一个对象的作用范围逃出了当前方法或者当前线程，有以下几种场景：
- 对象是一个静态变量
- 对象是一个已经发生逃逸的对象
- 对象作为当前方法的返回值
参数逃逸（ArgEscape）
- 即一个对象被作为方法参数传递或者被参数引用，但在调用过程中不会发生全局逃逸，这个状态是通过被调方法的字节码确定的
没有逃逸
- 即方法中的对象没有发生逃逸
逃逸分析优化
针对上面第三点，当一个对象没有逃逸时，可以得到以下几个虚拟机的优化
锁消除
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
例子2：方法内联
