高级Java知识

高级Java知识（JVM、字节码、内存模型）

内存=方法区+栈空间+堆+程序计数器

栈（stack）包括虚拟机栈（VM stack）和本地方法栈（native method stack）。

方法区（method area）内放置 类信息(Class）、常量、静态变量、JIT编译后代码。

运行时常量池是方法区的一部分。

Class文件有一个常量池（Constant Pool Table），属于Class的一部分。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）属于method area的一部分。

线程请求的栈容量大于VM允许的最大容量将引发StackOverflowError。

JVM规范允许虚拟机栈（如Hotspot虚拟机允许本地方法栈归入VM栈）动态扩展，若果在扩展时申请不到更多的内存，将引发OutOfMemoryError。

堆上申请不到更多内存将引发OOM error。

运行时常量池申请不到更多内存将引发OOM Error。

直接内存（Direct Memory）？也可能导致OOM。

new 过程: 寻找new 参数（需要被new的类）是否在常量池中、是否被加载、解析、初始化。

指针碰撞（bump the pointer）是认为内存是规整的，使用过的内存存在于（逻辑）连续的空间，用一个指针分割可用内存和已使用内存。

空闲列表（free list）是用列表记录空闲内存块。

对象头信息（object header）主要分两部分，一是类元数据指针（如果栈上reference通过句柄定位对象和类型数据，则没有类元指针），另一部分是对象hash、gc分代年龄、锁等自身运行时信息，如果是数组，还有数组大小信息。

分配内存、设置object header，初始化对象方法

对象在内存中分3块区域：object header, instance data, padding.

栈上reference定位对象有两种方式，一是句柄，二是直接指针。句柄是一种间接指针，该reference指向堆中句柄池中的一个句柄，句柄中存放对象实例数据指针和类型数据指针。直接指针则存放了包含类元数据指针的对象数据指针。

句柄定位方式优势在于对象在内存中被移动时（GC时被移动是很普遍的）栈上reference保持不变。直接指针优势是访问快。Sun HotSpot VM采用后者定位方式。

JVM参数：

• -Xss：栈大小
• -Xoss: native method stack，对Hotspot VM无效（其不区分vm stack、native method stack）
• -Xmx：堆最大内存量 -Xms：堆最小内存量
• -XX:PermSize=10M 永久代（位于方法区中）大小
• -XX:MaxPermSize=10M 永久代最大容量
  
  jdk 1.7逐步去“永久代”，1.8完全去除。上述vm参数无效。
  
  jvm运行时检测到的经常被抛出的jdk内置异常（NPE），可在其被抛出一定次数后优化其stacktrace为空，通过jvm开关OmitStackTraceInFastThrow设置。
• -XX:+OmitStackTraceInFastThrow 打开优化。
• -XX:-OmitStackTraceInFastThrow 关闭优化。
• -verbose:class -XX:+TraceClassLoading
• -XX:+TraceClassUnLoading关于类加载、卸载信息的vm参数。

运行时JVM会对经常被抛出的JRE预定义异常进行输出优化——将其stacktrace置为空，减少性能损失，所以可能看到一个异常（如NPE）被抛出，但其堆栈信息为空。

引用计数算法无法解决循环引用问题，objA.x=objB; objB.y=objA;objA=null;objB=null; 由于相互引用导致两个计数都不为0，但实际两个都应该被GC。

可达性分析GC策略：能通过GC roots可达的对象是存活对象。

GC Roots包括以下对象：

• VM栈（栈帧中本地变量表）中的引用对象
• 方法区中静态对象
• native方法中引用的对象

引用：强引用（Strong）、软引用（soft）、弱引用（weak）、虚引用（phantom）。强度依次减弱。

软引用：还有用但并非必需。在内存不够用（将要溢出前）才会回收这些引用。

弱引用：弱引用不影响GC，但对象只有弱引用时会被正常GC。

虚引用：完全不影响GC，唯一目的是在此对象被GC时能收到一条系统通知。

GC：GC roots不可达且有必要执行finalize()方法（对象重写了finalize且没有被vm调用过） -> 第一次标记，并放到F-Quene -> 低优先级执行F-Quene中对象的finalize（但不保证执行完该方法因其运行慢或死循环） -> finalize期间对象没有将this指向其他gc roots可达对象的字段：回收；否则不回收。

注：任一对象的finalize只被执行一次，即使再次面对GC。遵从建议：让我们忘了这个方法吧。

方法区的回收是针对无用常量和类。

GC算法：

1. Mark-sweep 标记清除。标记需要回收的对象，标记完后同意清除。不足：标记和清除效率都不高；清除后产生大量零碎、不连续内存空间。
2. copying 复制。 Eden空间+两块Survivor空间。Eden:Survivor=8:1，回收eden，将其中存活对象复制到survivor空间，清除eden。缺点：如果对象存活率高，则导致过多复制而降低gc性能；由于10%的survivor空间不能保证一定能容纳所有存活对象，需要额外空间保证。
3. mark-compact 标记-整理。老年代中对象存活率很高，复制算法导致过多复制以及额外空间。标记-整理算法在gc时将存活对象整理到内存空间的一端连续存放，直接清理另一端内存。
4. Generational Collection 分代收集。将内存分为新生代和老年代，根据特点使用copying、mark-sweep/mark-compact算法。

GC器：

1. serial。 单线程，新生代用copying、老年代用mark-compact算法，准备收集时会“stop the world”。
2. ParNew。serial的多线程版
3. Parallel Scavenge。新生代收集器。关注点是可控的吞吐量（user-time / (user-time + gc-time)），而CMS等GC器关注GC时导致的停顿时间。该GC器可自适应调节新生代大小（—Xmn）、eden与survivor比例（_XX:SurvivorRatio）、晋升老年代年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）。
4. Serial Old。Serial的老年代版本。
5. Parallel Old。Parallel Scavenge的老年代版本，使用mark-compact算法。
6. CMS（Concurrent Mark Sweep）。并发GC、低停顿时间。 a. 初始标记（gc roots直接关联的对象，stop the world） b. 并发标记（gc roots tracing，与用户线程同时工作） c. 重新标记（并发标记期间产生的变动，stop the world） d. 并发清除。
7. G1（Garbage First）。优点：a. 并行、并发；b. 分代收集；c. 内存碎片整理；d. 可控的停顿时间。思想：内存分为大小相同的若干region，优先回收价值（获得的内存空间/所需时间）大的garbage。

JVM工具

jps -l 显示jvm进程信息

jstack [-F 强制输出堆栈； -l 锁信息； -m native方法堆栈] pid

VisualVM(jvisualvm): btrace插件，热机跟踪。jvisualvm在jdk9+后不再默认提供。

(hotspot)JVM引擎会复用局部变量表slot，对GC影响的例子如下：

 // VM参数： -verbose:gc
void main(){
    {
        byte[] mem=new byte[64*1024*1024];
    }
    // int a=0; 无此代码行时尽管mem已不能被访问，但不会被回收，当启用此代码时由于再次访问了局部变量表，将导致$mem的内存被回收
    System.gc();
}

方法正常完成退出、方法异常完成退出。后者需要异常处理器表帮助方法返回、继续执行程序。

字节码指令集

invokestatic: 调用静态方法

invokespecial: , private, 父类方法。

invokevirtual: 虚方法（除被invokestatic, invokespecial指令调用的方法即static, , private, 父类方法的方法）及final方法。

invokeinterface:

invokedynamic:

非虚方法（static、、private、父类方法、final方法）在类加载时即可被解析为直接引用。final非虚方法由invokevirtual指令调用。

java是静态多分派、动态单分派的语言。

类加载

编译器会为类生成方法，接口的只有在常量初始化时才会被生成。

类执行前一定先执行父类，不会执行类接口的。

类只会被初始化一次，类中（静态初始化过程中）应避免过长的执行时间，否则会导致阻塞与此类有关其他线程。

类的Class依赖于类加载器，不同类加载器加载同一份类字节码得到的Class一定不一样。两个类的“相等”比较只有在类被同一个加载器加载的情况下有意义（否则一定不相等），这里的相等包括，Class<?>.equals, isAssignableFrom, inInstance, instanceof。

boostrap classloader <- ext classloader <- application classloader(system classloader) <- user classloader