宏观看JVM

先来看一个简单的Java程序

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public class Person {
    // 姓名
    private String name;
    // 年龄
    private int age;
   	//.....各种get/set方法/toString
}
public class PersonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        person.setName("person");
        System.out.println(person);
    }
}

.java文件通过词法分析器，token流，语法分析器，语法树，语义分析器，注解抽象语法树，字节码生成器等步骤将.java文件变为字节码文件

编译时期—语法糖

语法糖可以看做是编译器实现的一些小把戏,这些小把戏可能会使得效率大提升。

最值得说明的就是泛型，泛型只会在Java源码中存在，编译过后会被替换为原来的原生类型了，这个过程也被称为泛型擦除。

JVM 实现跨平台

.class文件是不能直接运行的，不像C语言(编译cpp后生成的exe是可以直接运行的)

这些.class文件是要交给JVM来解析运行。

class文件和JVM

前面例子中的两个文件都会被直接加载到JVM中吗。并不会

虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(class文件加载到JVM中)：

  • 创建类的实例(new 的方式)。访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值，调用类的静态方法
  • 反射的方式
  • 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
  • Java虚拟机启动时被标明为启动类的类，直接使用java.exe命令来运行某个主类（包含main方法的那个类）
  • 当使用JDK1.7的动态语言支持时(….)

所以说

Java类的加载是动态的，它并不会一次性将所有类全部加载后再运行，而是保证程序运行的基础类(像是基类)完全加载到jvm中，至于其他类，则在需要的时候才加载。这当然就是为了节省内存开销。

如何将类加载到JVM

class 文件通过类的加载器装载到jvm中的。

默认三种类加载器。

各个加载器的工作责任：

  • 1）Bootstrap ClassLoader：负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类
  • 2）Extension ClassLoader：负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
  • 3）App ClassLoader：负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

类加载器在成功加载某个类之后，会把得到的java.lang.Class 类的实例缓存起来，下次再请求加载该类加载的时候，类加载器会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载

类加载的详细过程

加载器加载到jvm中，接下来其实又分了好几个步骤：

  • 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。

JIT即时编译器

一般我们想，JVM在加载了这些class文件以后，针对这些字节码，逐条取出，逐条执行，解析器解析。

实际上。JVM会把字节码重新编译优化，生成机器码，让CPU直接执行，这样编出来的代码效率会更高。编译也是要花时间的，JVM一般会对热点代码做编译，非热点代码直接解析就好了。

热点代码就是1 多次调用的方法 2 多次执行的循环体

使用热点探测来检测是否为热点代码，热点探测有两种方式：采样和计数器

目前HotSpot使用的是计数器的方式，它为每个方法准备了两类计数器：

  • 方法调用计数器（Invocation Counter）
  • 回边计数器（Back EdgeCounter）。
  • 在确定虚拟机运行参数的前提下，这两个计数器都有一个确定的阈值，当计数器超过阈值溢出了，就会触发JIT编译。

回到例子

按我们程序来走，我们的PersonTest.class 文件会被AppClassLoader加载器加载到JVM中。随后发现了要使用Peron这个类，所以Person.class 文件会被APPClassLoader加载器加载到JVM中。

类加载完该干什么

JVM内存模型

堆：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存

虚拟机栈：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

本地方法栈：本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

方法区：存储已被虚拟机加载的类元数据信息(元空间)

程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器

例子中的流程

1、通过java.exe运行PersonTest.class，随后被加载到JVM中，元空间存储着类的信息(包括类的名称、方法信息、字段信息..)。

2、然后JVM找到PersonTest的主函数入口(main)，为main函数创建栈帧，开始执行main函数

3、main函数的第一条命令是Person person = new Person();就是让JVM创建一个Person对象，但是这时候方法区中没有Person类的信息，所以JVM马上加载PErson类，把Person类的类型信息放到方法区中(元空间)

4、加载完Person类之后，Java虚拟机做的第一件事情就是在堆区中为一个新的Person实例分配内存, 然后调用构造函数初始化Person实例，这个Person实例持有着指向方法区的Person类的类型信息（其中包含有方法表，java动态绑定的底层实现）的引用

5、当使用person.setName("Person");的时候，JVM根据person引用找到Person对象，然后根据Person对象持有的引用定位到方法区中Person类的类型信息的方法表，获得setName()函数的字节码的地址

6、为setName()函数创建栈帧，开始运行setName()函数

JVM之JIT

just in time

just in time 编译，也叫做运行时编译，不同于C/C++语言直接被翻译成机器指令，Java把Java的源文件翻译成了class文件，而class文件中全都是Java字节码，那么，JVM在加载了这些class文件之后，针对这些字节码，逐条取出，逐条执行，这种方法就是解释执行。

还有一种，就是把这些Java字节码重新编译优化，生成机器码，让CPU直接执行，这样编出来额代码效率会更高，通常，我们不必把所有的Java方法都编译成机器码，只需要把调用最频繁，占据CPU时间最长的方法找出来将其编译成机器码，这种调用最频繁的Java方法就是常说的热点方法。

这种在运行时按需编译的方式就是just in time

主要技术点

JIT的主要技术点，从大的框架来说，非常简单，就是申请一块既有写权限，又有执行权限的内存，然后把你要编译的Java方法，翻译成机器码，写到这块内存里，当再需要调用原来的Java方法时，就转向调用这块内存。

HotSpot 编译

当JVM执行代码时，它并不立即开始编译代码，主要有两个原因：

首先，如果这段代码本身在将来只会被执行一次，那么从本质上来看，编译就是在浪费精力，因为直接解释执行相对于编译这段代码并执行代码来说，要快很多。

当然，如果一段代码频繁的调用方法，或者是一个循环，也就是这段代码被执行多次，那么编译就非常值得了，Hot Spot VM 采用了 JIT compile 技术，将运行频率很高的字节码直接编译为机器指令执行以提高性能，所以当字节码被 JIT 编译为机器码的时候，要说它是编译执行的也可以。也就是说，运行时，部分代码可能由 JIT 翻译为目标机器指令（以 method 为翻译单位，还会保存起来，第二次执行就不用翻译了）直接执行。

第二个原因是最优化，当 JVM 执行某一方法或遍历循环的次数越多，就会更加了解代码结构，那么 JVM 在编译代码的时候就做出相应的优化。