分布式Java读书笔记二：JVM

第3章 深入理解JVM

深入理解JVM

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JVM标准结构

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JVM负责装载class文件并执行，因此，首先要掌握的是JDK如何将Java代码编译为class文件、如何装载class文件及如何执行class，将源码编译为class文件的实现取决于各个JVM实现或各种源码编译器。class文件通常由类加载器（ClassLoader）来完成加载；class的执行在Sun JDK中有解释执行和编译为机器码执行两种方式，其中编译为机器码又分为client和server两种模式。Sun JDK为了提升class的执行效率，对于解释执行和编译为机器码执行都设置了很多的优化策略。

3.1 Java代码的执行机制

3.1 Java代码的执行机制

3.1.1 Java源码编译机制

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javac编译源码为class文件的步骤

1. 分析和输入到符号表（Parse and Enter）
2. 注解处理（Annotation Processing）
3. 语义分析和生成class文件（Analyse and Generate）

3.1.2 类加载机制

类加载机制是指．class文件加载到JVM，并形成Class对象的机制

应用就可对Class对象进行实例化并调用，类加载机制可在运行时动态加载外部的类、远程网络下载过来的class文件等。除了该动态化的优点外，还可通过JVM的类加载机制来达到类隔离的效果.

JVM将类加载过程划分为三个步骤：装载、链接和初始化。

装载和链接过程完成后，即将二进制的字节码转换为Class对象；初始化过程不是加载类时必须触发的，但最迟必须在初次主动使用对象前执行，其所作的动作为给静态变量赋值、调用<clinit>()等。

1. 装载（Load）

装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中，JVM通过类的全限定名（com．bluedavy． HelloWorld）及类加载器（ClassLoaderA实例）完成类的加载，同样，也采用以上两个元素来标识一个被加载了的类：类的全限定名+ClassLoader实例ID。类名的命名方式如下：
对于接口或非数组型的类，其名称即为类名，此种类型的类由所在的ClassLoader负责加载；

image.png 图3.3 类加载过程

对于数组型的类，其名称为“[”+（基本类型或L+引用类型类名;），例如byte[] bytes=new byte[512]，该bytes的类名为：[B; Object[] objects=new Object[10]，objects的类名则为：[Ljava．lang．Object;，数组型类中的元素类型由所在的ClassLoader负责加载，但数组类则由JVM直接创建。

2. 链接（Link）

链接过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量及解析类中调用的接口、类。
二进制字节码的格式校验遵循Java Class File Format（具体请参见JVM规范）规范，如果格式不符合，则抛出VerifyError；校验过程中如果碰到要引用到其他的接口和类，也会进行加载；如果加载过程失败，则会抛出NoClassDefFoundError。
在完成了校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。
最后对类中的所有属性、方法进行验证，以确保其要调用的属性、方法存在，以及具备相应的权限（例如public、private域权限等）。如果这个阶段失败，可能会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

3. 初始化（Initialize）

初始化过程即执行类中的静态初始化代码、构造器代码及静态属性的初始化，在以下四种情况下初始化过程会被触发执行：

1）调用了new；

2）反射调用了类中的方法；

3）子类调用了初始化；

4）JVM启动过程中指定的初始化类。

在执行初始化过程之前，首先必须完成链接过程中的校验和准备阶段，解析阶段则不强制。
JVM的类加载通过ClassLoader及其子类来完成，分为

1、Bootstrap ClassLoader、

2、Extension ClassLoader、

3、System ClassLoader、

4、User-Defined ClassLoader。

这4种ClassLoader的关系如图3.4所示。

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1、Bootstrap ClassLoader

Sun JDK采用C++实现了此类，此类并非ClassLoader的子类，在代码中没有办法拿到这个对象， Sun JDK启动时会初始化此ClassLoader，并由ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt．jar里所有class文件的加载，jar中包含了Java规范定义的所有接口及实现。

2、 Extension ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载扩展功能的一些jar包，例如Sun JDK中目录下有dns工具jar包等，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为ExtClassLoader。

3.、System ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包及目录，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

4、User-Defined ClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中（例如从网络上下载的jar或二进制）的jar及目录、还可以在加载之前对class文件做一些动作，例如解密等。

ClassLoader抽象类提供了几个关键的方法：

● loadClass

此方法负责加载指定名字的类，ClassLoader的实现方法为先从已经加载的类中寻找，如没有，则继续从parent ClassLoader中寻找；如果仍然没找到，则从System ClassLoader中寻找，最后再调用findClass方法来寻找；如果要改变类的加载顺序，则可覆盖此方法；如果加载顺序相同，则可通过覆盖findClass来做特殊的处理，例如解密、固定路径寻找等。当通过整个寻找类的过程仍然未获取Class对象时，则抛出ClassNotFoundException。
如果类需要resolve，则调用resolveClass进行链接。

● findLoadedClass

此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类，调用的为native的方法。

● findClass

此方法直接抛出ClassNotFoundException，因此要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方>>式加载相应的类。

● findSystemClass

此方法负责从System ClassLoader中寻找类，如未找到，则继续从Bootstrap ClassLoader中寻>>找，如果仍然未找到，则返回null。

● defineClass

此方法负责将二进制的字节码转换为Class对象，这个方法对于自定义加载类而言非常重要。如果二进制的字节码的格式不符合JVM Class文件的格式，则抛出ClassFormatError；如果生成的类名和二进制字节码中的不同，则抛出NoClassDefFoundError；如果加载的class是受保护的、采用不同签名的，或者类名是以java．开头的，则抛出SecurityException；如果加载的class在此ClassLoader中已加载，则抛出LinkageError。

● resolveClass

此方法负责完成Class对象的链接，如果链接过，则会直接返回。
当Java开发人员调用Class．forName来获取一个对应名称的Class对象时，JVM会从方法栈上寻找第一个ClassLoader，通常也就是执行Class．forName所在类的ClassLoader，并使用此ClassLoader来加载此名称的类。JVM为了保护加载、执行的类的安全，它不允许ClassLoader直接卸载加载了的类，只有JVM才能卸载，在Sun JDK中，只有当ClassLoader对象没有引用时，此ClassLoader对象加载的类才会被卸载。

类加载常见异常

1. ClassNotFoundException

2. NoClassDefFoundError

3. LinkageError

该异常在自定义ClassLoader的情况下更容易出现，主要原因是此类已经在ClassLoader加载过了，重复地加载会造成该异常，因此要注意避免在并发的情况下出现这样的问题。

4. ClassCastException

该异常有多种原因，在JDK 5支持泛型后，合理使用泛型可相对减少此异常的触发。这些原因中比较难查的是两个A对象由不同的ClassLoader加载的情况，这时如果将其中某个A对象造型成另外一个A对象，也会报出ClassCastException。

线程在创建后，都会产生程序计数器（PC）（或称为PC registers）和栈（Stack）；PC存放了下一条要执行的指令在方法内的偏移量；栈中存放了栈帧（StackFrame），每个方法每次调用都会产生栈帧。栈帧主要分为局部变量区和操作数栈两部分，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果

Sun JDK基于栈的体系结构

1. 指令解释执行

2. 栈顶缓存

3. 部分栈帧共享

3.2 JVM内存管理

3.2 JVM内存管理

Java不需要开发人员来显式分配内存和回收内存，而是由JVM来自动管理内存的分配及回收（又称为垃圾回收、Garbage Collection或GC），这对开发人员来说确实大大降低了编写程序的难度，但副作用可能是在不知不觉中浪费了很多内存，导致JVM花费很多时间进行内存的回收。另外还可能会带来的副作用是由于不清楚JVM内存的分配和回收机制，造成内存泄露，最终导致JVM内存不够用。

3.2.1 内存空间

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JVM内存结构

程序计数器，栈 ， 方法区， 本地方法栈，堆

JVM内存结构

类信息，静态变量，常量，方法信息，属性信息
方法区
方法区存放了要加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过Class对象的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域。方法区域也是全局共享的，在一定条件下它也会被GC，当方法区域要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。
在Sun JDK中这块区域对应Permanet Generation，又称为持久代，默认最小值为16MB，最大值为64MB，可通过-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值。

堆
堆用于存储对象实例及数组值，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，Heap中对象所占用的内存由GC进行回收，在32位操作系统上最大为2GB，在64位操作系统上则没有限制，其大小可通过-Xms和-Xmx来控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，默认为物理内存的1/64但小于1GB；-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存，默认为物理内存的1/4但小于1GB，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRatio=来指定这个比例；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小Heap的大小到-Xms指定的大小，可通过-XX:MaxHeapFreeRatio=来指定这个比例，对于运行系统而言，为避免在运行时频繁调整Heap的大小，通常将-Xms和-Xmx的值设成一样。
为了让内存回收更加高效，Sun JDK从1.2开始对堆采用了分代管理的方式，如图3.8所示。

1. 新生代（New Generation）
   大多数情况下Java程序中新建的对象都从新生代分配内存，新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space（通常又称为S0和S1或From和To）构成，可通过-Xmn参数来指定新生代的大小，也可通过-XX:SurvivorRatio来调整Eden Space及Survivor Space的大小。不同的GC方式会以不同的方式按此值来划分Eden Space和Survivor Space，有些GC方式还会根据运行状况来动态调整Eden、S0、S1的大小。
2. 旧生代（Old Generation或Tenuring Generation）
   用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象，例如缓存对象，新建的对象也有可能在旧生代上直接分配内存。主要有两种状况（由不同的GC实现来决定）：
   一种为大对象，可通过在启动参数上设置-XX:PretenureSizeThreshold=1024（单位为字节，默认值为0）来代表当对象超过多大时就不在新生代分配，而是直接在旧生代分配，此参数在新生代采用Parallel Scavenge GC时无效，Parallel Scavenge GC会根据运行状况决定什么对象直接在旧生代上分配内存；
   另一种为大的数组对象，且数组中无引用外部对象。
   旧生代所占用的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

本地方法栈
本地方法栈用于支持native方法的执行，存储了每个native方法调用的状态，在Sun JDK的实现中本地方法栈和JVM方法栈是同一个。

PC寄存器和JVM方法栈
每个线程均会创建PC寄存器和JVM方法栈， PC寄存器占用的可能为CPU寄存器或操作系统内存，JVM方法栈占用的为操作系统内存，JVM方法栈为线程私有，其在内存分配上非常高效。当方法运行完毕时，其对应的栈帧所占用的内存也会自动释放。
当JVM方法栈空间不足时，会抛出StackOverflowError的错误，在Sun JDK中可以通过-Xss来指定其大小，例如如下代码：

new Thread(new Runnable(){            
    public void run() {                  
          loop(0);                
    }               
    private void loop (int i){                    
          if(i!=1000){                       
                i++;   
                loop (i);                   
          } else{                  
               return;                    
         }              
  }  }).start();

当JVM参数设置为-Xss1K时，运行后报出类似下面的错误：
Exception in thread "Thread-0" java.lang.StackOverflowError

3.2.2 内存分配

Java对象所占用的内存主要从堆上进行分配，堆是所有线程共享的，因此在堆上分配内存时需要进行加锁，这导致了创建对象开销比较大。当堆上空间不足时，会触发GC，如果GC后空间仍然不足，则抛出OutOfMemory错误信息。
Sun JDK为了提升内存分配的效率，会为每个新创建的线程在新生代的Eden Space上分配一块独立的空间，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行情况计算而得，可通过-XX:TLABWasteTargetPercent来设置TLAB可占用的Eden Space的百分比，默认值为1%。JVM将根据这个比率、线程数量及线程是否频繁分配对象来给每个线程分配合适大小的TLAB空间。在TLAB上分配内存时不需要加锁，因此JVM在给线程中的对象分配内存时会尽量在TLAB上分配，如果对象过大或TLAB空间已用完，则仍然在堆上进行分配。因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效，可通过在启动参数上增加-XX:+PrintTLAB来查看TLAB空间的使用情况。
在分配细节上取决于GC的实现，后续GC的实现章节会继续介绍。
除了从堆上分配及从TLAB上分配外，还有一种是基于逃逸分析直接在栈上进行分配的方式，此方式已在前文中提及。

3.2.3 内存回收
收集器
JVM通过GC来回收堆和方法区中的内存，GC的基本原理首先会找到程序中不再被使用的对象，然后回收这些对象所占用的内存，通常采用收集器的方式实现GC，主要的收集器有引用计数收集器和跟踪收集器。