cyxCoder

Java程序运行原理

Java编译器（前端编译器，javac就是其中一种）把Java源代码编译成Java虚拟机识别的字节码class文件。

Java虚拟机就相当于一个字节码的执行引擎，Java虚拟机有多种，但都需要符合Java虚拟机规范。

Java虚拟机中主要采用解释编译

《Java虚拟机规范》描述Java虚拟机的规范。

《Java语言规范》描述Java语言的规范和特性。

Java语言和虚拟机规范官方文档：

https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html

 

JVM运行时数据区

 

线程共享：所有线程能访问这块内存数据，随虚拟机或者GC而创建和销毁

线程独占：每个线程都会有它独立的空间，随线程生命周期而创建和销毁

 

虚拟机中垃圾回收，主要就是对线程共享部分进行回收

 

方法区

作用：存储加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译后的代码等数据。（即存储的类的元信息）

JDK7中的永久代和方法区是否等价？JDK1.8方法区就没有了？

不等价，方法区是Java虚拟机规范中定义的。只是JDK7中通过永久代实现，JDK8中通过元数据区实现。

 

GC：方法区存在垃圾回收，但回收频率低；

回收主要针对常量池的回收，和类型的卸载；

当方法区无法满足内存需求时，报OOM。

 

类信息可以理解为Java反射中的XXX.class中的数据。

方法区中的类什么时候会被回收？

条件1：class对应的实例都被回收了。

条件2：加载类的ClassLoder 被回收了。

条件3：类已经没有被其他实例引用。

 

存在方法区中的类信息有什么呢？

常量池、方法字节码指令、堆内存中的对象引用、其他

 

堆内存

作用：唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象、数组都在这儿离存放

堆内存中存的是实例字段（field）、数组的元素。

方法区存的是类信息、堆内存中存的是对象的数据。

对于大多数应用来说，堆是JVM管理的内存中最大的一块内存区域，也是最容易OOM的区域。

大多数JVM都将堆实现为大小可扩展的（通过-Xmx、-Xms控制）

 

对新生代、老年代、永久代概念的解释：

有的概念中会说堆内存中分为新生代和老年代，方法区有有永久代。

方法区、堆内存是Java虚拟机规范中的概念。

而新生代和老年代是Hotspot实现垃圾回收（GC）算法时提出的概念。

永久代也是方法区实现中提出的一些概念，JDK1.7实现方法区用的是永久代，JDK1.8用的是元数据区。

 

 

堆中的对象什么时候被回收？怎么知道堆中的对象不再被使用了

 

对象释放

 

怎么判断对象可以被释放？

1、可以引用计数器算法，在对象中保存一个计数器记录引用数，但存在两个对象相互引用的问题。（所以Java和C#里都不是通过引用计数器实现的）

2、通过可达性分析算法：主流的商用程序语言（Java、C#）都是通过可达性分析算法来判定对象是否存活的。

如下图，判断对象通过引用是否可达Gc roots,如果不可达则回收，可达则保留。

GC Roots可以是：

1. 虚拟机栈；
2. 方法区中静态属性引用的对象；
3. 方法区中常量引用的对象；
4. Native方法引用的对象。

 

然后对线程独占的的内存区域进行分析，里面有什么？

虚拟机栈

虚拟机栈：线程中Java方法执行的模型，每个方法执行时，就会在虚拟机栈中创建一个栈帧，每个方法从调用到执行的过程，就对应着栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

栈帧：虚拟机栈由多个栈帧(Stack Fframe)组成。

一个线程会执行一个或多个方法，一个方法对应一个栈帧。

怎么理解虚拟机栈是线程中方法执行的模型？

比如：主线程中的main方法、线程new Thread执行的run方法，通俗一点就是线程在执行一个个方法。所以也可以理解为虚拟机栈就是一个线程执行的模型。

 

所以虚拟机栈是怎么运行的？

比如一个简单的Java程序，先执行main方法，然后main方法中调用了test方法，那么虚拟机栈中会先入栈main方法的栈帧，然后继续入栈test方法栈帧。然后test方法执行完后，test栈帧出栈，然后main方法栈帧出栈。

 

如上也能发现，通过递归方式循环调用方法存在弊端，会让虚拟机栈消耗过多资源。

所以尽量不用递归，递归的逻辑一般都可以通过while实现。

 

局部变量先是存在方法区中的一个字节码指令，方法使用时，方法栈帧加入虚拟机栈中执行才给局部变量赋值（八大基本类型的默认初值是在方法区中），先把初值放入操作数栈，然后赋值给局部变量表中对应变量。

 

栈帧中还有什么？

• 局部变量表
• 操作数栈：用于字节码指令的执行时对数据的操作。  
• 动态链接
• 返回值地址
• 其他信息

https://www.cnblogs.com/jhxxb/p/11001238.html

指令的参数必须来自操作数栈，而不能来之局部变量表。指令的执行结果也要先放入操作数栈，然后再存入局部变量表。设计就是这样。

以前刚学的时候老师所说的堆栈，栈可能指的就是局部变量表。

 

动态链接，链接的是什么？

方法区中存了类的信息，类的信息里当然包含有方法的信息（方法的二进制字节码指令），动态链接就是可以帮助找到此方法的二进制字节码指令。执行方法其实在虚拟机中就是执行这些二进制字节码指令。

返回值地址的作用？

方法执行完后出栈，返回值地址告诉当前方法，出栈后返回到哪里去（上一个方法里）。

 

本地方法栈

本地方法栈：和虚拟机栈功能类似，虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法而准备的，本地方法栈是为虚拟机使用Native本地方法而准备的。

《Java虚拟机规范》中对Native方法使用的语言、使用方式与数据结构没有强制规定。

HotSpot虚拟机中虚拟机栈和本地方法栈合二为一。

 

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）记录当前线程执行字节码的位置，字节码解释器工作时，就是通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

如果执行Java方法，存储的是字节码指令地址，如果执行native 方法，则计数值为空。

程序计数器是唯一一个在《JVM规范》中没有任何OOM的区域。

 

程序计数器用来记录方法中的字节码指令执行到哪个位置了。

程序计数器记录的是字节码指令的内存地址。

为什么要记录？

因为多线程中CPU会切换线程。

 

直接内存（不属于JVM内存区域）

直接内存不是JVM运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域，是我们常说的堆外内存。

JDK1.4引用NIO，它可以使用Native函数库，直接分配堆外内存，然后通过一个存在Java堆中德尔DirectByteBuffer对象作为操作这块内存区域的引用进行操作。

直接内存不受Java堆大小限制，当内存总和大于及其物理内存时，会OOM。

 

JIT 即时编译

https://www.jianshu.com/p/169d6a50284a

 

Java类文件结构

示例代码：思考这一段代码，如何在JVM中执行？

public class Demo1 {

    final int NUMBER = 20;
    private static Student stu = new Student();

    public static void main(String args[]){
        int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x/y;

        String envName = "JAVA_HOME";
        stu.age = a;

        String path = System.getenv(envName);
    }

}

 

class文件编译之后，可以通过javap -v -p Demo1.class 把class反编译出来，查看其中的指令。

 

Class文件结构

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4..3.2

class文件包含JAVA程序执行的字节码；数据严格按照格式紧凑排列在class文件中的二进制流(以16进制来描述，如下图)，中间无任何分隔符；u1、u2、u4（4个字节的数字）、u8都是无符号数（数字），info结尾都是表，要搞懂这个PPT，可以看《深入理解Java虚拟机》第六章。

看右边的表，u4表示4个字节的数字，对应magic;（魔数），左边前4个字节 ca fe ba be(咖啡贝比)，也就是Java虚拟机会首先看前面4个字节来识别是否为虚拟机支持的class类文件。

后面2个字节就是小版本号 minor_version

继续2个字节就是主版本号，00 34 转换成10进制是52，是JDK的版本号。JDK1.6是50，1.7是51，1.8是52

继续又是个u2,constant_pool_count，表示常量池的count，左上图是 00 1b转换10进制是27。

继续cp_info表示具体的常量，constant_pool_count值有多少，后面就会接上这些常量。这些常量占多少个字节类似如下图表所示，这里只有部分。

TIP：常量池不只是Java代码里定义的常量，类名称、方法名称等都会存在常量池中。

 

access_flags：访问标记符，有类的访问修饰符，还有方法的访问修饰符，如下图表所示类的访问标志：

如果是public final则把上图中两个数字相加。

 

this_class：当前类的名字（值是一个常量池的常量，CONSTANT_Class_info型常量的结构）

super_class：父类的名字

interface_count:实现的接口数

interface:接口数有多少个，后面会有多少个接口也是CONSTANT_Class_info型常量的结构

fields_count:字段数

fields：字段表结构，如下图：

methods_count：方法数

methods:方法

 

名词解释

全限定名：把类名中的.替换成/,例如com.cyx替换为com/cyx

简单名称：是指没有类型和参数修饰的方法或者字段，如public int test(){}，简单名称就是inc, public int age字段的简单名称就是age。

描述符：比较复杂，描述符的偶用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型以及顺序）和返回值。如“int[]”将被标记为“[I”java.lang.String[][] ，被标记为“[[Ljava/lang/String;”;java.lang.StringtoString() 的描述符为()Ljava/lang/String

 

属性表集合

在Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。

不像其他表，属性表的排列没有严格的顺序，只要不与已有属性名重复即可，

任何人实现的编译器都可以向属性表中写入自己的属性信息，但JVM只认识自己预定义的21种属性，JVM会忽略不认识的属性。

详见《深入理解Java虚拟机》P180 表6-13

 

class文件运行

 

一个Ojbect在JVM所占空间多大？

64位操作系统，开启指针压缩，指针头16个字节，开启指针压缩12字节，

然后会加上Java中8个基本类型：boolean(1)、byte(1)、short(2)、char(2)、int(4)、float(4)、long(8)、doubble(8)

即：12+1+1+2+2+4+4+8+8=42个字节。然后会进行字节对齐，填充6位，42+6=48字节。