[Java] 开课吧--JVM

双亲委派

• 向上委托，向下加载
• 收到加载任务后，先交给父类加载器，只有当父类加载器无法完成，才会执行加载
• 保证只有一个类加载器加载，避免重复加载
• 破坏：JDK 1.2后才使用，JDK  1.1的核心类没有通过双亲委派定义

如何判断两个Class对象是否相同

• class字节码相同
• classLoader相同

JVM运行数据区按线程使用情况分类

• 线程独享区域
  • 虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
  • 不需要垃圾回收
• 线程共享区域
  • 堆和方法区
  • 垃圾回收、类的静态数据和对象

HotSpot

• JDK 1.6：字符串常量池在永久代
• JDK 1.7：依然有永久代，但字符串常量池在堆中
• JDK 1.8：不存在永久代

字符串常量池

• 节省内存空间，所有类共享一个字符串常量池
• 如何存数据
  • 对象存储
  • 快速搜索：StringTable（hashtable）
    • StringTableSize：决定搜索效率

堆

• JVM中最大的一块内存
• GC最重要区域
• 堆的内存分配通过垃圾收集器实现
• JVM启动时实现
• 存什么
  • JDK 1.6：对象、数组
  • JDK 1.7+：对象、数组、字符串常量池、静态变量　
• 参数
  • -Xms：初始大小，单位m，g
  • -Xmx：最大大小
  • -XMn：新生代（年轻代）
  • -XX:SurvivorRatio=8：年轻代中Eden与Servivor比例，默认为8：1
  • -XX:PermSize：非堆内存初始大小，一般默认200m
  • -XX:MaxPermSize：菲堆最大大小
  • -XX:NewSize(-Xns)：年轻代内存初始大小
  • -XX:MaxNewSize(-Xmn)：年轻代最大大小　　　

• 分配原则
  • 优先在Eden分配，如果Eden不足，进行一次MinorGC
  • 大对象直接进入老年代（超过Eden一半）
  • 长期存活对象进入老年代（15次GC未被回收）
  • 年轻代没有空间存放的对象进入老年代
• 分配方式
  • 指针碰撞：内存地址连续（年轻代）
  • 空闲列表：内存地址不连续（老年代）
• 分配安全
  • 虚拟机给A线程分配内存过程中，指针未修改，B线程可能同时使用了同一块内存
  • CAS（乐观锁）：不加锁，假设没有冲突，如果冲突就重试，直到成功
  • TLAB（本地线程分配缓冲）：每个线程预先分配一块内存
• 分配担保
• 当在新生代中无法分配内存时，把新生代对象转移到老年代，然后把新对象放入腾空的新生代
• 对象内存布局
  • 对象头：锁信息、对象年龄、类型指针
  • 实例数据：成员变量
  • 对齐填充

程序计数器

• 当前线程执行下一个字节码的行号
• 用于线程切换后，能恢复到正确执行的位置

Java虚拟机栈

• 基于栈和基于寄存器
  • 基于栈（操作数栈）：一个程序调用需要10个基于栈的指令，JVM一次编译，到处运行
  • 基于寄存器：同样的一个程序调用只需要两三个基于寄存器的调用，和操作系统有关
• 栈帧
  • 支持虚拟机进行方法执行的数据结构
  • 存储方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址
  • 局部变量表--冰箱；操作栈--盘子
  • 方法调用时创建
  • 操作数栈的每个元素可以是任意Java数据类型，32位数据类型占一个栈容量
  • 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，可在类加载阶段或第一次使用时转换为直接引用（静态解析），或每次运行时转换为直接引用（动态连接）
  • 静态解析：直接引用，即对应方法的内存地址
  • 动态链接：class文件中，一个方法调用其他方法，需要将方法的符号引用转化为内存地址的直接引用。类中调用父类方法，运行时执行子类方法（多态）
  • 方法返回：把当前栈帧出栈。正常完成出口 / 异常完成出口

本地方法栈

• 直接操作硬件，C++方法

方法执行

• 先由Java编译器编译为Java字节码，再由Java解释器逐条解释，或对热点代码由JIT编译器编译运行
• 热点代码：被多次调用的方法；被多次执行的循环体
• 方法调用计数器：先检查是否存在已编译版本，否则方法调用次数加1，超过阈值则启动编译
• 加载存储指令
  • 将一个局部变量表加载到操作数栈：load系列
  • 将一个数值从操作数栈加载到局部变量表：store系列
  • 将一个常量加载到操作数栈：const系列、push系列、ldc系列

• JIT运行方式
  • Server模式，Client模式
  • 优化
    • 公共子表达式消除
    • 方法内联
    • 逃逸分析（存在逃逸则无法优化）
      • 栈上内存分配
      • 标量替换
      • 同步锁消除

方法调用

• 常见方法调用类型
  • 私有方法：与类绑定，编译时确定
  • 构造方法：与类绑定，编译时确定
  • 静态方法：与类绑定，编译时确定
  • 成员方法：不与类绑定，运行时确定
  • 接口方法：不与类绑定，运行时确定
  • 编译看左边，运行看右边
• 重载与重写
  • 重写（overwrite）：也叫方法覆盖，继承或实现关系下，子类和父类方法描述符（参数和返回值）一致，方法名称一致
  • 重载（overloading）：在同一个类中，方法名称一致，方法参数（类型和顺序）不一致，不关心返回值
    • 可理解为运行时重新加载，即编译时按左边类，运行时才加载右边真正类型
• 静态绑定和动态绑定
  • 通过类名、方法名、方法描述符识别方法
  • 属性看左，方法看右
  • 通过父类引用访问子类的属性，需要强制转型
• 方法调用指令
  • invokevirtual：调用非静态非私有方法（多态）
  • invokeinterface：调用接口方法（多态）
  • invokespecial：调用非静态私有方法、构造方法
  • invokestatic：调用静态方法
  • invokedynamic
• 方法调用过程
  • 静态绑定方法：直接在运行时常量池找到引用
  • 动态绑定方法：根据父类方法表确定要查找的方法索引（编译看左），从子类方法表中开始，找不到再去父方法表找
• 虚分配
  • Father father = new Son();
  • father指针指向son对象
  • 根据本地变量表，找调用该虚方法的对象
  • 取出对象头中的类型指针，找到Class对象
  • 找到Class对象后，找到对应的虚方法表
  • 找到对应的方法，进行方法调用
  • 如果找不到，则去父类对象查找，最终找不到则报错

public class DynamicCall01 {
	public static void main(String[] args) {
		Father father = new Son();
		// 多态,发生方法重载
		father.f1();
		// 打印结果： Son-f1()
		char c = 'a';
		father.f1(c);
		// 打印结果： father-f1() para-int 97
	}
}

// 被调用的父类
class Father {
	public void f1() {
		System.out.println("father-f1()");
	}

	public void f1(int i) {
		System.out.println("father-f1() para-int " + i);
	}
}

// 被调用的子类
class Son extends Father {
	public void f1() {
		// 覆盖父类的方法
		System.out.println("Son-f1()");
	}
	public void f1(char c) {
		System.out.println("Son-s1() para-char " + c);
	}
}

• • 例题
    • 对于father.f1()，子类父类都有，在各自方法表中是独立的两项（编号相同），编译期间无法确定，故在运行时根据创建的对象，发生重载
    • 对于father.f1(c)，f(char)父类没有，编译时将char自动转型为int，而f(int)只有父类有，子类直接继承，也不会写在子类方法表中，故不会发生重载。如果Son中也有f1(int i)，则会发生重载
    • 子类对象通过父类引用调用的方法，必须在父类中出现过，否则编译无法通过
• 内联缓存
  • 加快动态绑定的优化技术

垃圾回收

• 标记阶段
  • 引用计数：实现简单，无法处理循环引用问题。Python采用
  • 可达性分析：枚举GC Roots-->STW-->追踪标记。Java采用
  • 回收过程
    • 第一次判断：使用可达性分析后，判断对象不可达
    • 第二次判断：finalize()，重新建立可达性关联，否则会被第二次标记
• 垃圾清除阶段
  • 标记-清除算法：效率不高，GC时需停止程序，清理后内存不连续
  • 复制算法：没有标记和清除过程，效率高，空间连续，需要两倍空间（空间换时间），适用于新生代（存活对象少，垃圾对象多）
  • 标记-压缩算法：适用于老年代（存活对象多）
• 垃圾回收器
  • 按执行方式分类
    • 串行回收器：Serial、Serial Old
    • 并行回收器：ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old
    • 并发回收器：CMS、G1
  • 按垃圾分代关系
    • 新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
    • 老年代收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS
    • 整堆收集器：G1
  • 性能指标
    • 吞吐量：运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）【高吞吐，后台】
    • 暂停时间：应用程序线程暂停，GC线程执行的时间段【低延迟，页面】
  • CMS
    • 低延迟
    • 标记-清除算法
    • 不能和PS配合
    • 初始标记->并发标记->重新标记->并发清除