Java技术体系
如果仅从传统意义上看，Sun官方所定义的Java技术体系包括了以下几个
组成部分：
- Java程序设计语言
- 各种硬件平台上面的Java虚拟机
- Class文件格式
- Java API类库
- 来自商业结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 API类库这三部分统称为JDK。JDK是用于支持Java程序开发的最小环境。
JDK（Java Development Kit，Java开发工具包）是用来编译、调试Java程序的开发工具包。包括Java工具（javac/java/jdb等）和Java基础的类库（Java API 类库）。
JRE（Java Runtime Environment， Java运行环境）是支持Java程序运行的标准环境，所有的程序都要在JRE下才能够运行。包括JVM和Java核心类库和支持文件。
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Java虚拟机
JVM（Java Virtual Machine， Java虚拟机）是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。 Java虚拟机有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈等，还具有相应的指令系统。JVM包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。JVM是JRE的一部分。
JVM遵循着冯·诺依曼体系结构的设计原理。冯·诺依曼体系结构中，指出计算机处理的数据和指令都是二进制数，采用存储程序方式不加区分的存储在同一个存储器里，并且顺序执行，指令由操作码和地址码组成，操作码决定了操作类型和所操作的数的数字类型，地址码则指出地址码和操作数。
从DOS到Window8，从Unix到Ubuntu和CentOS，还有MAC OS等等，不同的操作系统指令集以及数据结构都有着差异，而JVM通过在操作系统上建立虚拟机，自己定义出来的一套统一的数据结构和操作指令。JVM主要工作是解释自己的指令集（即字节码）并映射到本地的CPU指令集和OS的系统调用，不同的操作系统会有不同的JVM映射规则，使之与操作系统无关。（JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，把同一套语言翻译给各大主流的操作系统，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上面运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上面不加修改的运行，从而实现跨平台运行）可以说JVM是Java的核心，是Java可以一次编译到处运行的本质所在。
JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。
Java代码运行原理.png
Java虚拟机组成
JVM由4大部分组成：ClassLoader、Runtime Data Area、Execution Engine、Native Interface
JVM组成部分.png
ClassLoader
ClassLoader 是负责加载class文件，Java类里getClassLoader（)默认加载器，负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
Java语言系统自带有三个类加载器
- Bootstrap ClassLoader 最顶层的加载类，主要加载核心类库，%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。另外需要注意的是可以通过启动JVM时指定-Xbootclasspath和路径来改变Bootstrap ClassLoader的加载目录。比如java -Xbootclasspath/a:path被指定的文件追加到默认的bootstrap路径中。我们可以打开我的电脑，在上面的目录下查看，看看这些jar包是不是存在于这个目录。
- Extention ClassLoader 扩展的类加载器，加载目录%JRE_HOME%\lib\ext目录下的jar包和class文件。还可以加载-D java.ext.dirs选项指定的目录。
- Appclass Loader也称为SystemAppClass 加载当前应用的classpath的所有类。
Native Interface
Native Interface是负责调用本地接口的。他的作用是调用不同语言的接口给JAVA用，他会在Native Method Stack中记录对应的本地方法，然后调用该方法时就通过Execution Engine加载对应的本地lib。原本多于用一些专业领域，如JAVA驱动，地图制作引擎等，现在关于这种本地方法接口的调用已经被类似于Socket通信，WebService等方式取代。
Execution Engine
Execution Engine是执行引擎，负责给操作系统解释放入Runtime DataArea的指令和数据。
Runtime Data Area
Runtime Data Area则是存放数据的，分为五部分：Stack，Heap，Method Area，PC Register，Native Method Stack。
- 程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令、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并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，各个线程之间计数器互不影响，独立存储。
程序计数器，是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError的区域。
- Java虚拟机栈也是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。平常我们把java分为堆内存和栈内存，其中的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。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。
Java虚拟机的解释执行引擎称为“基于栈的执行引擎”，其中所指的“栈”就是操作数栈。因此我们也称Java虚拟机是基于栈的，这点不同于Android虚拟机，Android虚拟机是基于寄存器的。
- 本地方法栈（Native Method Stack）也是线程私有。本地方法栈和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，它们之间的区别主要是，虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务的，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈类似，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
- Java堆（Java Heap）所有线程共享。Java堆在虚拟机启动时创建，是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆的唯一目的就是存放对象实例和数组。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也成为“GC堆”。从内存回收的角度来看，由于现在收集器大都采用分代收集算法，所以Java堆可以细分为：新生代和老年代；再细分一点：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配角度来看，线程共享的Java堆可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。但是不管怎么划分，哪个区域，存储的都是对象实例。
Java堆物理上不需要连续的内存，只要逻辑上连续即可。如果堆中没有内存完成实例分配，并且也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
- 方法区（Method Area）所有线程共享。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等数据。方法区也有一个别名叫做Non-Heap（非堆），用于与Java堆区分。对于HotSpot虚拟机来说，方法区又习惯称为“永久代”（Permancent Generation），但这只是对于HotSpot虚拟机来说的，其他虚拟机的实现上并没有这个概念。相对而言，垃圾收集行为在这个区域比较少出现，但也并非不会来收集，这个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上。
- 运行时常量池属于方法区。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面常量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。也就是说，这部分内容，在编译时只是放入到了常量池信息中，到了加载时，才会放到运行时常量池中去。运行时常量池县归于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的比较多的是String类的intern()方法。
HotSpot虚拟机对象探秘
对象的创建
（1）判断类是否加载、解析、初始化
虚拟机遇到一条new指令时，先去检查这个指定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，那先执行相应的类加载过程。
（2）为新对象分配内存
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。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定。对象的内存分配是在Java堆中的，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来，此时Java堆中的情况有两种可能，一种是Java堆中内存是绝对规整的，一种是Java堆中的内存并不是规整的。因此有两种分配方式：
1）Java堆内存是规整的，即所有用过的内存都放在一边，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，此时，分配内存仅需要把这个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种方式也称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）；
2）Java堆内存不是规整的，即已使用的内存和空闲的内存相互交错，就没有办法简单地进行指针的移动，此时的分配方案是，虚拟机必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的控件划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种方式也称为“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压缩整理功能决定。因此，对于Serial、ParNew等带Compact过程的垃圾收集器，系统采用的是指针碰撞算法；对于CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器，通常采用空闲列表算法。
（3）解决并发安全问题
确定了如何划分内存空间之后，还有一个问题就是，对象的创建在虚拟机中是非常频繁的行为，比如，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，解决这种并发问题，一般有两种方案：
1）对分配内存空间的动作进行同步处理，比如，虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
2）另一种方式是，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TLAB上分配。只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定，虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UserTLAB参数来设定。
（4）初始化分配到的内存空间
内存分配完成后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作也可以提前至TLAB分配时进行。也正是这一步操作，才保证了我们对象的实例字段在Java代码中可以不赋初值就直接使用。注意，此时对象的实例字段全部为零值，并没有按照程序中的初值进行初始化。
（5）设置对象实例的对象头
上面工作完成后，虚拟机对对象进行必要的设置，主要是设置对象的对象头信息。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、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。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
（6）初始化对象<init>方法
其实，上面工作完成后，从虚拟机角度来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的角度来看，对象创建才刚刚开始，对象实例中的字段仅仅都为零值，还需要通过<init>方法进行初始化，把对象按照程序员的意愿进行初始化。此时，一个真正可用的对象才算完全产生出来。
对象的内存布局
不同的虚拟机实现中，对象的内存布局有差别，以最常用的HotSpot虚拟机为例。HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
1）对象头：包含两部分信息，一部分是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等；另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果对象是一个Java数组，对象头中还有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组大小。
2）实例数据：真正存储对象有效信息的部分。也就是在程序中定义的各种类型的字段内容，包括从父类继承下来的，以及子类中定义的，都会在实例数据中记录。
3）对齐填充：不是必然存在的，仅起着占位符的作用，对于HotSpot来说，虚拟机的自动内存管理系统要求对象其实地址必须是8字节的整数倍，因此，如果对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充的方式来补全。
对象的访问定位
建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么种方式去定位、访问到堆中的对象的具体位置，对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
1）通过句柄访问对象
如果使用句柄访问的话，Java堆中将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的具体各自的地址信息。
通过句柄访问对象.png
2）通过直接指针访问对象
如果使用直接指针访问的话，Java堆对象的布局中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。
通过指针访问对象.png
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
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，由于对象访问的在Java中非常频繁，因此这类开销积小成多也是一项非常可观的执行成本。从上一部分讲解的对象内存布局可以看出，就虚拟机HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问，但在整个软件开发的范围来看，各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见
Java内存模型
JMM(Java Memory Model，Java内存模型)，Java虚拟机是一个完整的计算机的一个模型，因此这个模型自然也包含一个内存模型—又称为Java内存模型。Java内存模型规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的，来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各平台下都能达到一致的内存访问效果。
物理计算机在处理运算任务的时候加入了高速缓存来调和处理器以及内存之间不同数量级导致的耗时问题：将需要运算的数据复制到缓存中，然后进行高速运算，之后再由缓存同步回内存中。物理计算机制定读写协议，使各个处理器在访问涉及同一主存区域的缓存时遵循指定的协议，解决**缓存一致性问题。在Java虚拟机中，定义了一种Java内存模型，类比物理计算机对并发过程中缓慢存数据的处理方式。
Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在JVM中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量与Java编程里面的变量有所不同步，它包含了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包含局部变量和方法参数，因为后者是线程私有的，不会共享，当然不存在数据竞争问题（如果局部变量是一个reference引用类型，它引用的对象在Java堆中可被各个线程共享，但是reference引用本身在Java栈的局部变量表中，是线程私有的）。为了获得较高的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引起使用处理器的特定寄存器或者缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。
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