入门基础知识：JVM的机制

2020年3月18日 下午8:01

具体来说，了解 Java 虚拟机有如下（但不限于）好处。

• 首先，Java 虚拟机提供了许多配置参数，用于满足不同应用场景下，对程序性能的需求。学习 Java 虚拟机，你可以针对自己的应用，最优化匹配运行参数。（你可以用下面这个例子看一下自己虚拟机的参数列表。）
• 其次，Java 虚拟机本身是一种工程产品，在实现过程中自然存在不少局限性。学习 Java 虚拟机，可以更好地规避它在使用中的 Bug，也可以更快地识别出 Java 虚拟机中的错误，
• 再次，Java 虚拟机拥有当前最前沿、最成熟的垃圾回收算法实现，以及即时编译器实现。学习 Java 虚拟机，我们可以了解背后的设计决策，今后再遇到其他代码托管技术也能触类旁通。
• 最后，Java 虚拟机发展到了今天，已经脱离 Java 语言，形成了一套相对独立的、高性能的执行方案。除了 Java 外，Scala、Clojure、Groovy，以及时下热门的 Kotlin，这些语言都可以运行在 Java 虚拟机之上。学习 Java 虚拟机，便可以了解这些语言的通用机制，甚至于让这些语言共享生态系统。

Java 代码为何在虚拟机中运行，以及如何在虚拟机中运行

1. 之所以要在虚拟机中运行，是因为它提供了可移植性。一旦 Java 代码被编译为 Java 字节码，便可以在不同平台上的 Java 虚拟机实现上运行。此外，虚拟机还提供了一个代码托管的环境，代替我们处理部分冗长而且容易出错的事务，例如内存管理。
2. 内存划分：
   • Java 虚拟机将运行时内存区域划分为五个部分，分别为方法区、堆、PC 寄存器、Java 方法栈和本地方法栈。Java 程序编译而成的 class 文件，需要先加载至方法区中，方能在 Java 虚拟机中运行。
3. 不同的编译策略：
   • 为了提高运行效率，标准 JDK 中的 HotSpot 虚拟机采用的是一种混合执行的策略。
   • 它会解释执行 Java 字节码，然后会将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译，翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。
   • HotSpot 装载了多个不同的即时编译器，以便在编译时间和生成代码的执行效率之间做取舍。

Java 里的基本类型

1. 虚拟机眼中的boolean 类型
   • boolean 类型在 Java 虚拟机中被映射为整数类型：“true”被映射为 1，而“false”被映射为 0。Java 代码中的逻辑运算以及条件跳转，都是用整数相关的字节码来实现的。
2. Java 还有 8 个基本类型
   • 除 boolean 类型之外，Java 还有另外 7 个基本类型。它们拥有不同的值域，但默认值在内存中均为 0。这些基本类型之中，浮点类型比较特殊。基于它的运算或比较，需要考虑 +0.0F、-0.0F 以及 NaN 的情况。
3. 占用内存大小：
   • 除 long 和 double 外，其他基本类型与引用类型在解释执行的方法栈帧中占用的大小是一致的，但它们在堆中占用的大小确不同。在将 boolean、byte、char 以及 short 的值存入字段或者数组单元时，Java 虚拟机会进行掩码操作。在读取时，Java 虚拟机则会将其扩展为 int 类型。

Java 虚拟机将字节流转化为 Java 类的过程

1. 这个过程可分为加载、链接以及初始化三大步骤。
2. 加载
   • 加载是指查找字节流，并且据此创建类的过程。加载需要借助类加载器，在 Java 虚拟机中，类加载器使用了双亲委派模型，即接收到加载请求时，会先将请求转发给父类加载器。
3. 链接
   • 链接，是指将创建成的类合并至 Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。链接还分验证、准备和解析三个阶段。其中，解析阶段为非必须的。
4. 初始化
   • 初始化，则是为标记为常量值的字段赋值，以及执行 < clinit > 方法的过程。类的初始化仅会被执行一次，这个特性被用来实现单例的延迟初始化。

Java 以及 Java 虚拟机是如何识别目标方法的

1. 编译期和虚拟机重载、重写、识别方法的方式的不同：
   • 在 Java 中，方法存在重载以及重写的概念，重载指的是方法名相同而参数类型不相同的方法之间的关系，重写指的是方法名相同并且参数类型也相同的方法之间的关系。
   • Java 虚拟机识别方法的方式略有不同，除了方法名和参数类型之外，它还会考虑返回类型。
2. 在 Java 虚拟机中，静态绑定与识别目标方法的的联系
   • 在 Java 虚拟机中，静态绑定指的是在解析时便能够直接识别目标方法的情况，而动态绑定则指的是需要在运行过程中根据调用者的动态类型来识别目标方法的情况。由于 Java 编译器已经区分了重载的方法，因此可以认为 Java 虚拟机中不存在重载。
   • 在 class 文件中，Java 编译器会用符号引用指代目标方法。在执行调用指令前，它所附带的符号引用需要被解析成实际引用。对于可以静态绑定的方法调用而言，实际引用为目标方法的指针。对于需要动态绑定的方法调用而言，实际引用为辅助动态绑定的信息。

虚方法调用在 Java 虚拟机中的实现方式

1. 基本概念：
   • 虚方法调用包括 invokevirtual 指令和 invokeinterface 指令。如果这两种指令所声明的目标方法被标记为 final，那么 Java 虚拟机会采用静态绑定。
   • 否则，Java 虚拟机将采用动态绑定，在运行过程中根据调用者的动态类型，来决定具体的目标方法。
2. 基本原理：
   • Java 虚拟机的动态绑定是通过方法表这一数据结构来实现的。方法表中每一个重写方法的索引值，与父类方法表中被重写的方法的索引值一致。
   • 在解析虚方法调用时，Java 虚拟机会纪录下所声明的目标方法的索引值，并且在运行过程中根据这个索引值查找具体的目标方法。
3. 加速动态绑定：
   • Java 虚拟机中的即时编译器会使用内联缓存来加速动态绑定。Java 虚拟机所采用的单态内联缓存将纪录调用者的动态类型，以及它所对应的目标方法。
   • 当碰到新的调用者时，如果其动态类型与缓存中的类型匹配，则直接调用缓存的目标方法。
   • 否则，Java 虚拟机将该内联缓存劣化为超多态内联缓存，在今后的执行过程中直接使用方法表进行动态绑定。

Java 虚拟机的异常处理机制

1. 异常的分类
   • Java 的异常分为 Exception 和 Error 两种，而 Exception 又分为 RuntimeException 和其他类型。RuntimeException 和 Error 属于非检查异常。其他的 Exception 皆属于检查异常，在触发时需要显式捕获，或者在方法头用 throws 关键字声明。
2. Java 字节码中，每个方法对应一个异常表
   • Java 字节码中，每个方法对应一个异常表。当程序触发异常时，Java 虚拟机将查找异常表，并依此决定需要将控制流转移至哪个异常处理器之中。Java 代码中的 catch 代码块和 finally 代码块都会生成异常表条目。
3. Java 7 引入了 Suppressed 异常、try-with-resources，以及多异常捕获。后两者属于语法糖，能够极大地精简我们的代码。

JVM实现反射：这里需要及时编译、方法内联、逃逸分析部分的知识

1. 在默认情况下，方法的反射调用为委派实现，委派给本地实现来进行方法调用。在调用超过 15 次之后，委派实现便会将委派对象切换至动态实现。这个动态实现的字节码是自动生成的，它将直接使用 invoke 指令来调用目标方法。
2. 方法的反射调用会带来不少性能开销，原因主要有三个：变长参数方法导致的 Object 数组，基本类型的自动装箱、拆箱，还有最重要的方法内联。

Java 虚拟机构造对象的方式，所构造对象的大小，以及对象的内存布局

1. 常见的 new 语句会被编译为 new 指令，以及对构造器的调用。每个类的构造器皆会直接或者间接调用父类的构造器，并且在同一个实例中初始化相应的字段。
2. 压缩指针
   • Java 虚拟机引入了压缩指针的概念，将原本的 64 位指针压缩成 32 位。压缩指针要求 Java 虚拟机堆中对象的起始地址要对齐至 8 的倍数。
   • Java 虚拟机还会对每个类的字段进行重排列，使得字段也能够内存对齐。

垃圾回收的一些基础知识

1. 可达性分析
   • Java 虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象。它从一系列 GC Roots 出发，边标记边探索所有被引用的对象。
2. 安全点机制
   • 为了防止在标记过程中堆栈的状态发生改变，Java 虚拟机采取安全点机制来实现 Stop-the-world 操作，暂停其他非垃圾回收线程。
3. 回收死亡对象的内存
   • 回收死亡对象的内存共有三种方式，分别为：会造成内存碎片的清除、性能开销较大的压缩、以及堆使用效率较低的复制。

Java 虚拟机中垃圾回收具体实现的一些通用知识

1. 堆分为新生代和老年代，采用不同的垃圾回收算法
   • Java 虚拟机将堆分为新生代和老年代，并且对不同代采用不同的垃圾回收算法。
   • 其中，新生代分为 Eden 区和两个大小一致的 Survivor 区，并且其中一个 Survivor 区是空的。
2. 新生代 变 老年代
   • 在只针对新生代的 Minor GC 中，Eden 区和非空 Survivor 区的存活对象会被复制到空的 Survivor 区中
   • 当 Survivor 区中的存活对象复制次数超过一定数值时，它将被晋升至老年代。
3. 老年代 到 新生代
   • 因为 Minor GC 只针对新生代进行垃圾回收，所以在枚举 GC Roots 的时候，它需要考虑从老年代到新生代的引用。
   • 为了避免扫描整个老年代，Java 虚拟机引入了名为卡表的技术，大致地标出可能存在老年代到新生代引用的内存区域。

Java 的内存模型

1. happens-before 机制
   1. Java 内存模型通过定义了一系列的 happens-before 操作，让应用程序开发者能够轻易地表达不同线程的操作之间的内存可见性。
2. 在遵守 Java 内存模型的前提下，即时编译器以及底层体系架构能够调整内存访问操作，以达到性能优化的效果。如果开发者没有正确地利用 happens-before 规则，那么将可能导致数据竞争。
3. 内存屏障对重排序优化和CPU缓存都有作用：这点和C++不同
   1. Java 内存模型是通过内存屏障来禁止重排序的。对于即时编译器来说，内存屏障将限制它所能做的重排序优化。对于处理器来说，内存屏障会导致缓存的刷新操作。

Java 虚拟机中 synchronized 关键字的实现

1. 介绍了 Java 虚拟机中 synchronized 关键字的实现，按照代价由高至低可分为重量级锁、轻量级锁和偏向锁三种。
2. 重量级锁
   • 重量级锁会阻塞、唤醒请求加锁的线程。它针对的是多个线程同时竞争同一把锁的情况。Java 虚拟机采取了自适应自旋，来避免线程在面对非常小的 synchronized 代码块时，仍会被阻塞、唤醒的情况。
3. 轻量级锁
   • 轻量级锁采用 CAS 操作，将锁对象的标记字段替换为一个指针，指向当前线程栈上的一块空间，存储着锁对象原本的标记字段。它针对的是多个线程在不同时间段申请同一把锁的情况。
4. 偏向锁
   • 偏向锁只会在第一次请求时采用 CAS 操作，在锁对象的标记字段中记录下当前线程的地址。在之后的运行过程中，持有该偏向锁的线程的加锁操作将直接返回。它针对的是锁仅会被同一线程持有的情况。