part 002 java运行机制

JVM的结构体系

JVM Architecture

前文提到javac程序是一个Java编译器。它将文件.java编译成.class文件，并发送到java虚拟机。虚拟机执行编译器放在class文件中的字节码。

JVM针对每个操作系统开发其对应的解释器，所以只要其操作系统有对应版本的JVM，那么这份Java编译后的代码就能够运行起来，这就是Java能一次编译，到处运行的原因。

java的运行机制包括类的加载机制，jvm内存结构，垃圾回收算法，jvm调优

类的加载机制

主要关注点：

什么是类的加载
类的生命周期
类加载器
双亲委派模型

什么是类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象,类的加载的最终是位于堆区中的Class对象。

类的生命周期

类的生命周期包括这几个部分，加载、连接、初始化、使用和卸载，其中前三部是类的加载的过程,如下图；

类的生命周期.png

加载，查找并加载类的二进制数据，在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象
连接，连接又包含三块内容：验证、准备、初始化。1）验证，文件格式、元数据、字节码、符号引用验证；2）准备，为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；3）解析，把类中的符号引用转换为直接引用
初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值
使用，new出对象程序中使用
卸载，执行垃圾回收

几个小问题？
1、JVM初始化步骤？ 2、类初始化时机？3、哪几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期？

类加载器

calssloader.png

启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库
扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载DK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器

类加载机制

全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入
父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类
缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

jvm内存结构

主要关注点：

jvm内存结构都是什么
对象分配规则

jvm内存结构

jvm.png

方法区和堆是所有线程共享的内存区域；而java栈、本地方法栈和程序计数器是运行是线程私有的内存区域。

Java堆（Heap）,是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
方法区（Method Area）,方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。
程序计数器（Program Counter Register）,程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
JVM栈（JVM Stacks）,与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它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：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
本地方法栈（Native Method Stacks）,本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

对象分配规则

对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，知道达到阀值对象进入老年区。
动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

如何通过参数来控制个各个内存区域

GC算法垃圾回收

主要关注点：

对象存活判断
GC算法
垃圾回收器

对象存活判断

判断对象是否存活一般有两种方式：

引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。
可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象。

GC算法

GC最基础的算法有三种：标记 -清除算法、复制算法、标记-压缩算法，我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。

标记 -清除算法，“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。
复制算法，“复制”（Copying）的收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
标记-压缩算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存
分代收集算法，“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

垃圾回收器

Serial收集器，串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。
ParNew收集器，ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。
Parallel收集器，Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。
Parallel Old 收集器，Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法
CMS收集器，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
G1收集器，G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足GC停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征

补充：

JVM 常量池

JVM常量池也称之为运行时常量池，它是方法区（Method Area）的一部分。用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。运行时常量池不要求一定只有在编译器产生的才能进入，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的就是String.intern()方法。

由“****用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用”这句话可见，常量池中存储的是对象的引用而不是对象的本身。

常量池的好处

常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，它也实现了对象的共享。

例如字符串常量池：在编译阶段就把所有字符串文字放到一个常量池中。

1、节省内存空间：常量池中如果有对应的字符串，那么则返回该对象的引用，从而不必再次创建一个新对象。

2、节省运行时间：比较字符串时，==比equals()快。对于两个引用变量，==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

双等号（==）的含义

基本数据类型之间使用双等号，比较的是数值。

复合数据类型（类）之间使用双等号，比较的是对象的引用地址是否相等。

八种基本类型的包装类和常量池

Byte、Short、Integer、Long、Character、Boolean、String这7种包装类都各自实现了自己的常量池。

//例子：
Integer i1 = 20;
Integer i2 = 20;
System.out.println(i1=i2);//输出TRUE

Byte、Short、Integer、Long、Character这5种包装类都默认创建了数值[-128 , 127]的缓存数据。当对这5个类型的数据不在这个区间内的时候，将会去创建新的对象，并且不会将这些新的对象放入常量池中。

//IntegerCache.low = -128
//IntegerCache.high = 127
public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

//例子
Integer i1 = 200;
Integer i2 = 200;
System.out.println(i1==i2);//返回FALSE

Float 和Double 没有实现常量池。

String包装类与常量池

String str1 = "aaa";

当以上代码运行时，JVM会到字符串常量池查找 "aaa" 这个字面量对象是否存在？

存在：则返回该对象的引用给变量 **str1 **。

不存在：则在堆中创建一个相应的对象，将创建的对象的引用存放到常量池中，同时将引用返回给变量 **str1 **。

String str1 = "aaa";
String str2 = "aaa";
System.out.println(str1 == str2);//返回TRUE

因为变量**str1 和str2 **都指向同一个对象，所以返回true。

String str3 = new String("aaa");
System.out.println(str1 == str3);//返回FALSE

当我们使用了new来构造字符串对象的时候，不管字符串常量池中是否有相同内容的对象的引用，新的字符串对象都会创建。因为两个指向的是不同的对象，所以返回FALSE 。

String.intern()方法

对于使用了new 创建的字符串对象，如果想要将这个对象引用到字符串常量池，可以使用intern() 方法。

调用intern() 方法后，检查字符串常量池中是否有这个对象的引用，并做如下操作：

存在：直接返回对象引用给变量。

不存在：将这个对象引用加入到常量池，再返回对象引用给变量。

String interns = str3.intern();
System.out.println(interns == str1);//返回TRUE

假定常量池中都没有以上字面量的对象，以下创建了多少个对象呢？

String str4 = "abc"+"efg";
String str5 = "abcefg";
System.out.println(str4 == str5);//返回TRUE

答案是三个。第一个："abc" ，第一个："efg"，第三个："abc"+"efg"（"abcefg"）

String str5 = "abcefg"; 这句代码并没有创建对象，它从常量池中找到了"abcefg" 的引用，所有str4 == str5 返回TRUE，因为它们都指向一个相同的对象。

什么情况下会将字符串对象引用自动加入字符串常量池？

//只有在这两种情况下会将对象引用自动加入到常量池
String str1 = "aaa";
String str2 = "aa"+"a";

//其他方式下都不会将对象引用自动加入到常量池，如下：
String str3 = new String("aaa");
String str4 = New StringBuilder("aa").append("a").toString();
StringBuilder sb = New StringBuilder();
sb.append("aa");
sb.append("a");
String str5 = sb.toString();