JVM入门

编程之心

发布于 2021-07-14 14:09:04

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发布于 2021-07-14 14:09:04

文章被收录于专栏：编程之禅

JVM

一、JVM概述

架构师每天在想什么？

如何让系统更快？
如何避免系统出现瓶颈？

知乎有条帖子：应该如何看待招聘，年薪直通50万？

性能优化，重构，保证平台性能和稳定性
根据业务场景和需求，决定技术方向，技术选型
能够独立架构与设计海量数据下的高并发分布式解决方案
核心功能的架构与代码编写
分析系统瓶颈，解决各种疑难杂症，性能调优等

为什么要学习JVM

面试的需要（BATJ、TMD、PKQ等面试都爱问）
中高级程序员必备技能
- 项目调优的需求
极客精神
- 比如：垃圾回收算法、JIT（及时编译器）、底层原理

JVM是一种虚拟机设备的规范，是虚构出来的一台机器

标准：The Java Virtual Machine Specification
在Oracle官网https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html 可以免费下载各个JDK版本的JVM规范要求

各个大厂都有自己的JVM的实现

HotSpot是Oracle官方实现
J9是IBM的实现
Microsoft JVM是微软的实现
Harmony是Apache的实现
Azul Zing是第三方公司Azul Systems开发的商业收费虚拟机，目前银行在用。它的垃圾回收器PGC、C4停顿时间可控制在10ms内。Oracle最新的JDK12中的ZGC及Shenandoah垃圾回收器就是参考的这款，但效果还远不如它。（书P17）

如何查看自己电脑使用的是哪一款JVM？

Win + R -> cmd -> java -version

Java —— 跨平台的语言

write once, run anywhere.

JVM —— 跨语言的平台

虚拟机没有语言倾向，并不依赖Java

2018年Oracle发布的Graal VM，在HotSpt基础上发展出来的全栈虚拟机，可以作为“任何语言”的运行平台使用。

JVM、JRE与JDK三者的关系

JDK

我们把Java程序设计语言、Java虚拟机、Java类库这三部分统称为JDK

JDK是用于支持Java程序开发最小环境

JRE

把Java类库中的JavaSE API子集和Java虚拟机统称为JRE JRE是支持Java程序运行标准环境（书P3

Java从编码到执行

JVM整体架构

Java编译器的两种指令集架构模型

Java编译器的指令集架构是一种基于栈的指令集架构。另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。

两者区别：

基于栈的指令集架构（HotSpot）特点：

设计简单
避开寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配
指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现
不需要硬件支持，移植性更好，实现跨平台

基于寄存器的指令集架构特点：

典型的是x86的二进制指令集：比如传统PC以及Android的Davlik虚拟机。
指令集架构则完全依赖硬件，与硬件的耦合度高，可移植性差
性能优秀，执行高效
更少的指令去完成一项操作
在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

两种架构的举例：

同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：

基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：

iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出栈，执行相加
istore_0 // 结果5入栈

需要8个指令
而基于寄存器的计算流程

mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

需要2个指令

二、类加载子系统

概述图

类加载器子系统作用

类加载器只负责字节码文件的加载
字节码文件能否运行取决于执行引擎
加载的类信息存放在称为方法区的内存空间。除了类信息，方法区中还存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量

类的加载过程

完整的流程图如下所示：

加载阶段

加载：

通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流（全限定名其实就是包+类名）
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

链接阶段

链接分为三个子阶段：验证 -> 准备 -> 解析

验证(Verify)

目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全
主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证**

准备(Prepare)

为类变量（static变量）分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值
这里不包含用final修饰的static，因为final在编译阶段就会分配好了默认值，准备阶段会按照程序员给的值显式进行初始化
**注意：**这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中

举例代码：类变量a在准备阶段会赋初始值，但不是1，而是0，在初始化阶段会被赋值为 1

public class HelloApp {
    private static int a = 1;//prepare：a = 0 ---> initial : a = 1
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

解析(Resolve)

将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程
实际上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行
符号引用就是用一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范》的class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT Class info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info等**

初始化阶段

初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程
此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。也就是说，当我们代码中包含static的时候，就会有clinit方法
<clinit>()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行
<clinit>()不同于类的构造器。（构造器是虚拟机视角下的<init>()）
若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕
虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁

IDEA 中安装 JClassLib Bytecode viewer 插件，可以很方便的看字节码。安装过程可以自行百度

执行类的初始化阶段时机

类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为：主动使用和被动使用。

主动使用，又分为七种情况：

创建类的实例
访问某个类或接口的静态变量，或对静态变量赋值
调用类的静态方法
反射（比如：Class.forName（“com.atguigu.Test”））
初始化一个类的子类
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
JDK7开始提供的动态语言支持：java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果REF_getStatic、REF putStatic、REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化，则初始化

除了以上七种情况，其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化，即不会执行初始化阶段（不会调用 clinit() 方法和 init() 方法）

三、类加载器的分类

概述

JVM严格来讲支持两种类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）与用户自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）
从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一种类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器
无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个，如下所示

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {

        //获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //获取其上层：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

        //获取其上层：获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null

        //对于用户自定义类来说：默认使用系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //String类使用引导类加载器进行加载的。---> Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null

    }
}

我们尝试获取BootstrapClassLoader，获取到的值为 null ，这并不代表BootstrapClassLoader加载器不存在，因为启动类加载器用的C/C++ 语言，我们获取不到
两次获取应用类加载器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，这说明应用类加载器是全局唯一的

虚拟机自带的加载器

启动类加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部
它用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类
并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器
加载扩展类和应用程序类加载器，并作为他们的父类加载器
出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

扩展类加载器

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
派生于ClassLoader类
父类加载器为启动类加载器
从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载

应用程序类加载器

应用程序类加载器（也称为系统类加载器，AppClassLoader）

Java语言编写，由sun.misc.Launchers$AppClassLoader实现
派生于ClassLoader类
父类加载器为扩展类加载器
它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载
通过classLoader.getSystemclassLoader()方法可以获取到该类加载器

public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("**********启动类加载器**************");
        //获取BootstrapClassLoader能够加载的api的路径
        URL[] urLs = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element : urLs) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:引导类加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        System.out.println("***********扩展类加载器*************");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }

        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:扩展类加载器
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

    }
}

输出结果

**********启动类加载器**************
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/classes
null
***********扩展类加载器*************
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44

关于自定义类加载器

什么时候用到自定义类加载器？

在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。那为什么还需要自定义类加载器？

隔离加载类（比如说我假设现在Spring框架，和RocketMQ有包名路径完全一样的类，类名也一样，这个时候类就冲突了。不过一般的主流框架和中间件都会自定义类加载器，实现不同的框架，中间件之间是隔离的）
修改类加载的方式
扩展加载源（还可以考虑从数据库中加载类，路由器等等不同的地方）
防止源码泄漏（对字节码文件进行加密，自己用的时候通过自定义类加载器来对其进行解密）

如何自定义类加载器？

开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承ClassLoader类并重写loadClass()方法，从而实现自定义的类加载类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadClass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findclass()方法中
在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承URIClassLoader类，这样就可以避免自己去编写findclass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁。

代码示例

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                //defineClass和findClass搭配使用
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
	//自定义流的获取方式
    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
        //从自定义路径中加载指定类:细节略
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密，则需要在此方法中进行解密操作。
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One", true, customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

关于ClassLoader类

ClassLoader 类介绍

ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）

sun.misc.Launcher 它是一个java虚拟机的入口应用

获取ClassLoader途径

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1.
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);
            //2.
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);

            //3.
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2);

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果：

null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

Process finished with exit code 0

双亲委派机制

双亲委派机制原理

Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；
如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器；
如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。
父类加载器一层一层往下分配任务，如果子类加载器能加载，则加载此类，如果将加载任务分配至应用类加载器也无法加载此类，则抛出异常

双亲委派机制举例

当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候，首先我们需要知道的是 jdbc.jar是基于SPI接口进行实现的，所以在加载的时候，会进行双亲委派，最终从根加载器中加载 SPI核心类，然后在加载SPI接口类，接着在进行反向委派，通过线程上下文类加载器进行实现类 jdbc.jar的加载。

双亲委派机制优势

通过上面的例子，我们可以知道，双亲机制可以

避免类的重复加载
主要是为了保护程序安全，防止核心类被随意篡改
- 自定义类：自定义java.lang.String 没有被加载。
- 自定义类：java.lang.ShkStart（报错：阻止创建 java.lang开头的类）

沙箱安全机制

自定义String类时：在加载自定义String类的时候会率先使用启动类加载器加载，而启动类加载器在加载的过程中会先加载jdk自带的文件（rt.jar包中java.lang.String.class），报错信息说没有main方法，就是因为加载的是rt.jar包中的String类。
这样可以保证对java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

其它

如何判断两个class对象是否相同

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：

类的全限定名与加载该类的类加载器实例对象必须全都相同

JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么JVM会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的。

四、运行时数据区概述及线程

前言

本节主要讲的是运行时数据区，也就是下图这部分，它是在类加载完成后的阶段

当我们通过前面的：类的加载-> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化这几个阶段完成后，就会用到执行引擎对我们的类进行使用，同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区

也就是大厨做饭，我们把大厨后面的东西（切好的菜，刀，调料），比作是运行时数据区。而厨师可以类比于执行引擎，将通过准备的东西进行制作成精美的菜品

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合JVM虚拟机规范，来探讨一下经典的JVM内存布局。

我们通过磁盘或者网络IO得到的数据，都需要先加载到内存中，然后CPU从内存中获取数据进行读取，也就是说内存充当了CPU和磁盘之间的桥梁

运行时数据区的完整图

Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

**灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的。**即：

每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈。
线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

Runtime类

每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境，相当于内存结构的中间的那个框框：运行时环境。

线程

JVM 线程

线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行
在Hotspot JVM里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射
- 当一个Java线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后，本地线程也会回收
操作系统负责将线程安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的run()方法

JVM 系统线程

如果你使用jconsole或者是任何一个调试工具，都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用public static void main(String[])的main线程以及所有这个main线程自己创建的线程。
这些主要的后台系统线程在Hotspot JVM里主要是以下几个：

虚拟机线程：这种线程的操作是需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要JVM达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行类型括"stop-the-world"的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销
周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行
GC线程：这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持
编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码
信号调度线程：这种线程接收信号并发送给JVM，在它内部通过调用适当的方法进行处理

程序计数器（也叫PC寄存器）

介绍

JVM中的程序计数器（Program Counter Register）它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefned）。它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何outofMemoryError情况的区域。

作用

程序计数器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

代码演示

我们首先写一个简单的代码

public class PCRegisterTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;
    }
}

然后将代码进行编译成字节码文件，我们再次查看，发现在字节码的左边有一个行号标识，它其实就是指令地址，用于指向当前执行到哪里。

0: bipush        10
2: istore_1
3: bipush        20
5: istore_2
6: iload_1
7: iload_2
8: iadd
9: istore_3
10: return

通过PC寄存器，我们就可以知道当前程序执行到哪一步了

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。 JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

PC寄存器为什么被设定为私有的？

我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。 ** 由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

CPU时间片

CPU时间片即CPU分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片。在宏观上：我们可以同时打开多个应用程序，每个程序并行不悖，同时运行。但在微观上：由于只有一个CPU，一次只能处理程序要求的一部分，如何处理公平，一种方法就是引入时间片，每个程序轮流执行。

本地方法接口

什么是本地方法

简单地讲，一个Native Method是一个Java调用非Java代码的接囗。

一个Native Method是这样一个方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C++中，你可以用extern “c” 告知c++编译器去调用一个c的函数。 “A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code.”（本地方法是一个非Java的方法，它的具体实现是非Java代码的实现）在定义一个native method时，并不提供实现体（有些像定义一个Java interface），因为其实现体是由非java语言在外面实现的。本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序。

代码举例说明Native方法是如何编写的

public class IhaveNatives {
    public native void Native1(int x);
    native static public long Native2();
    native synchronized private float Native3(Object o);
    native void Natives(int[] ary) throws Exception;
}

需要注意的是：标识符native可以与其它java标识符连用，但是abstract除外

为什么使用Native Method？

Java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用Java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。

与Java环境的交互

有时Java应用需要与Java外面的环境交互，这是本地方法存在的主要原因。你可以想想Java需要与一些底层系统，如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制：它为我们提供了一个非常简洁的接口，而且我们无需去了解Java应用之外的繁琐的细节。

与操作系统的交互

JVM支持着Java语言本身和运行时库，它是Java程序赖以生存的平台，它由一个解释器（解释字节码）和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方法，我们得以用Java实现了jre的与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用c写的。还有，如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时，我们也需要使用本地方法。

Sun’s Java

Sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用Java实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。例如：类java.lang.Thread的setPriority（）方法是用Java实现的，但是它实现调用的是该类里的本地方法setPriority（）。这个本地方法是用C实现的，并被植入JVM内部，在Windows 95的平台上，这个本地方法最终将调用Win32 setPriority（）Api。这是一个本地方法的具体实现由JVM直接提供，更多的情况是本地方法由外部的动态链接库（external dynamic link library）提供，然后被JVM调用。

本地方法现状

目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介绍。

本地方法栈

Java虚拟机栈于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。本地方法栈，也是线程私有的。允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。（在内存溢出方面是相同的）

如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个stackoverflowError 异常。
如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么Java虚拟机将会抛出一个outofMemoryError异常。

本地方法是使用C语言实现的。它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine 执行时加载本地方法库。

当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。

本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。

并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。在Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

五、虚拟机栈

简介

虚拟机栈的出现背景

由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。（如果设计成基于寄存器的，耦合度高，性能会有所提升，因为可以对具体的CPU架构进行优化，但是跨平台性大大降低，参考之前的JVM的两种架构模型）。
优点是跨平台，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

内存中的栈与堆*

首先栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
即：栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放哪里

虚拟机栈基本内容

Java虚拟机栈是什么？
- Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），一个栈帧对应着一次的Java方法调用，栈是线程私有的。

public class StackTest {

    public static void main(String[] args) {
        StackTest test = new StackTest();
        test.methodA();
    }

    public void methodA() {
        int i = 10;
        int j = 20;

        methodB();
    }

    public void methodB(){
        int k = 30;
        int m = 40;
    }
}

虚拟机栈的生命周期
- 生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了
虚拟机栈的作用
- 主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8 种基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。
- 局部变量，它是相比于成员变量来说的（或属性）
- 基本数据类型变量 VS 引用类型变量（类、数组、接口）

虚拟机栈的特点

栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。
JVM直接对Java栈的操作只有两个：
- 每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）
- 执行结束后的出栈工作
对于栈来说不存在垃圾回收问题
- 栈不需要GC，但是可能存在OOM

虚拟机栈的异常

面试题：栈中可能出现的异常？

Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。
- 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackoverflowError 异常。
- 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个 OutofMemoryError 异常。

设置栈内存大小

概念

多去官方文档看看：https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/tools/java.html#GUID-3B1CE181-CD30-4178-9602-230B800D4FAE 地址经常变

我们可以使用参数 -Xss 选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

Sets the thread stack size (in bytes). Append the letter k or K to indicate KB, m or M to indicate MB, and g or G to indicate GB. The default value depends on the platform:

Linux/x64 (64-bit): 1024 KB
macOS (64-bit): 1024 KB
Oracle Solaris/x64 (64-bit): 1024 KB
Windows: The default value depends on virtual memory

The following examples set the thread stack size to 1024 KB in different units: 用不同单位设置栈内存1024KB大小的各种样例

-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576

举例

public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

没设置参数前

部分输出结果：

11404
11405
11406
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(UTF_8.java:691)

说明栈在11406这个深度溢出了

设置栈参数之后

部分输出结果

2474
2475
2476
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(UTF_8.java:77)

说明参数起作用了

栈的存储单位

栈中存储什么？

每个线程都有自己的虚拟机栈，栈中的数据都是以一个个栈帧（Stack Frame）的格式存在
在这个线程上正在执行的每个个方法都各自对应一个个栈帧（Stack Frame）。
栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

栈运行原理

JVM直接对Java栈的指令只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循先进后出（后进先出）原则
在一条活动的线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的。这个栈帧被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧相对应的方法就是当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）
执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。

不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。
如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。
Java方法有两种返回函数的方式。
- 一种是正常的函数返回，使用return指令。
- 另一种是方法执行中出现未捕获处理的异常，以抛出异常的方式结束。
- 但不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

局部变量表（Local Variables）
操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
一些附加信息

并行每个线程下的虚拟机栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的虚拟机栈，并且每个虚拟机栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表和操作数栈决定的

局部变量表

认识局部变量表

概念

局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddress返回值类型。
由于局部变量表是建立在线程的虚拟机栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题
局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。
方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。
- 对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。
- 进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。
局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。
- 在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。
- 当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

举例

public class LocalVariablesTest {
    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }

    //练习：
    public static void testStatic(){
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        Date date = new Date();
        int count = 10;
        System.out.println(count);
        //因为this变量不存在于当前方法的局部变量表中！！
//        System.out.println(this.count);
    }

    //关于Slot的使用的理解
    public LocalVariablesTest(){
        this.count = 1;
    }

    public void test1() {
        Date date = new Date();
        String name1 = "atguigu.com";
        test2(date, name1);
        System.out.println(date + name1);
    }

    public String test2(Date dateP, String name2) {
        dateP = null;
        name2 = "songhongkang";
        double weight = 130.5;//占据两个slot
        char gender = '男';
        return dateP + name2;
    }

    public void test3() {
        this.count++;
    }

    public void test4() {
        int a = 0;
        {
            int b = 0;
            b = a + 1;
        }
        //变量c使用之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
        int c = a + 1;
    }
}

看完字节码后，可得结论：局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的。

部分详解

为了更好讲解，我们直接用jclasslib来看字节码，以main方法为例来讲解。一些一目了然的就不讲了

1、0-15 也就是有16行字节码

2、方法异常信息表

3、Misc

4、行号表

Java代码的行号和字节码指令行号的对应关系

5、注意：生效行数和剩余有效行数都是针对于字节码文件的行数

1、图中圈的东西表示该局部变量的作用域

2、Start PC==11表示在字节码的11行开始生效，也就是Java代码对应的第15行。而声明int num在java代码的是第14行，说明是从声明的下一行开始生效

3、Length== 5表示局部变量剩余有效行数，main方法字节码指令总共有16行，从11行开始生效，那么剩下就是16-11 ==5。

4、Ljava/lang/String 前面的L表示引用类型

关于Slot（变量槽）的理解

参数值的存放从局部变量数组索引 0 开始，到数组长度-1的索引结束。
局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽），局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference），returnAddress类型的变量。
在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位的类型占用两个slot（Long和double）。
- byte、short、char在储存转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true
- long和double则占据两个slot
JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值
当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上
如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问long或double类型变量）
如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用this将会存放在index为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。（this也相当于一个变量）

Slot代码示例

this 存放在 index = 0 的位置：

代码

	public void test3() {
        this.count++;
    }

局部变量表：this 存放在 index = 0 的位置

64位的类型（long和double）占用两个slot

代码

 	public String test2(Date dateP, String name2) {
        dateP = null;
        name2 = "songhongkang";
        double weight = 130.5;//占据两个slot
        char gender = '男';
        return dateP + name2;
    }

weight 为 double 类型，index 直接从 3 蹦到了 5

static 无法调用 this

this 不存在与 static 方法的局部变量表中，所以无法调用

    public static void testStatic(){
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        Date date = new Date();
        int count = 10;
        System.out.println(count);
        //因为this变量不存在于当前方法的局部变量表中！！
//        System.out.println(this.count);
    }

Slot的重复利用

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明新的局部变量变就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

代码

    public void test4() {
        int a = 0;
        {
            int b = 0;
            b = a + 1;
        }
        //变量c使用之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
        int c = a + 1;
    }

局部变量 c 重用了局部变量 b 的 slot 位置

静态变量与局部变量的对比

变量的分类：
1、按照数据类型分：① 基本数据类型  ② 引用数据类型
2、按照在类中声明的位置分：
  2-1、成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值
       2-1-1、类变量: linking的prepare阶段：给类变量默认赋值
              ---> initial阶段：给类变量显式赋值即静态代码块赋值
       2-1-2、实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
  2-2、局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过。

参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。
我们知道成员变量有两次初始化的机会**，**第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。
和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

补充说明

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

操作数栈

操作数栈的特点

每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last - In - First -Out）的操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）
操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和出栈（pop）

某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈，
比如：执行复制、交换、求和等操作

操作数栈的作用

操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这时方法的操作数栈是空的。
每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为maxstack的值。
栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型
- 32bit的类型占用一个栈单位深度
- 64bit的类型占用两个栈单位深度
操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。只不过操作数栈是用数组这个结构来实现的而已
如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。
操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。
另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

局部变量表就相当于食材

操作数栈就相当于做法步骤

操作数栈代码追踪

	public void testAddOperation() {
        //byte、short、char、boolean：都以int型来保存
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;

       // int m = 800;

    }

对应字节码指令

 0 bipush 15
 2 istore_1
 3 bipush 8
 5 istore_2
 6 iload_1
 7 iload_2
 8 iadd
 9 istore_3
10 return

一步一步看流程

1、首先执行第一条语句，PC寄存器指向的是0，也就是指令地址为0，然后使用bipush让操作数15入操作数栈。

2、执行完后，PC寄存器往下移，指向下一行代码，下一行代码就是将操作数栈的元素存储到局部变量表1的位置（istore_1），我们可以看到局部变量表的已经增加了一个元素。并且操作数栈为空了

解释为什么局部变量表索引从 1 开始，因为该方法为实例方法，局部变量表索引为 0 的位置存放的是 this

3、然后PC下移，指向的是下一行。让操作数8也入栈，同时执行store操作，存入局部变量表中

4、然后从局部变量表中，依次将数据放在操作数栈中，等待执行 add 操作

iload_1：取出局部变量表中索引为1的数据入操作数栈

5、然后将操作数栈中的两个元素执行相加操作，并存储在局部变量表3的位置

小问题

关于类型转换的说明

因为 8 可以存放在 byte 类型中，所以压入操作数栈的类型为 byte ，而不是 int ，所以执行的字节码指令为 bipush 8
但是存储在局部变量的时候，会转成 int 类型的变量：istore_4

m改成800之后，byte存储不了，就成了short型，sipush 800

如果被调用的方法带有返回值，返回值入操作数栈

  public int getSum(){
        int m = 10;
        int n = 20;
        int k = m + n;
        return k;
    }

    public void testGetSum(){
        //获取上一个栈桢返回的结果，并保存在操作数栈中
        int i = getSum();
        int j = 10;
    }

getSum() 方法字节码指令：最后带着个 ireturn

testGetSum() 方法字节码指令：一上来就加载 getSum() 方法的返回值()

栈顶缓存技术

栈顶缓存技术：Top Of Stack Cashing

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数（也就是你会发现指令很多）和导致内存读/写次数多，效率不高。
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM的设计者们提出了栈顶缓存（Tos，Top-of-Stack Cashing）技术，将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。
寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快，但是指令集（也就是指令种类）很多

动态链接

动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）

每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接（Dynamic Linking），比如：invokedynamic指令
在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（Symbolic Reference）保存在class文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用

public class DynamicLinkingTest {

    int num = 10;

    public void methodA(){
        System.out.println("methodA()....");
    }

    public void methodB(){
        System.out.println("methodB()....");

        methodA();

        num++;
    }

}

对应字节码

Classfile /F:/IDEAWorkSpaceSourceCode/JVMDemo/out/production/chapter05/com/atguigu/java1/DynamicLinkingTest.class
  Last modified 2020-11-10; size 712 bytes
  MD5 checksum e56913c945f897c7ee6c0a608629bca8
  Compiled from "DynamicLinkingTest.java"
public class com.atguigu.java1.DynamicLinkingTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #9.#23         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #8.#24         // com/atguigu/java1/DynamicLinkingTest.num:I
   #3 = Fieldref           #25.#26        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = String             #27            // methodA()....
   #5 = Methodref          #28.#29        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #6 = String             #30            // methodB()....
   #7 = Methodref          #8.#31         // com/atguigu/java1/DynamicLinkingTest.methodA:()V
   #8 = Class              #32            // com/atguigu/java1/DynamicLinkingTest
   #9 = Class              #33            // java/lang/Object
  #10 = Utf8               num
  #11 = Utf8               I
  #12 = Utf8               <init>
  #13 = Utf8               ()V
  #14 = Utf8               Code
  #15 = Utf8               LineNumberTable
  #16 = Utf8               LocalVariableTable
  #17 = Utf8               this
  #18 = Utf8               Lcom/atguigu/java1/DynamicLinkingTest;
  #19 = Utf8               methodA
  #20 = Utf8               methodB
  #21 = Utf8               SourceFile
  #22 = Utf8               DynamicLinkingTest.java
  #23 = NameAndType        #12:#13        // "<init>":()V
  #24 = NameAndType        #10:#11        // num:I
  #25 = Class              #34            // java/lang/System
  #26 = NameAndType        #35:#36        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #27 = Utf8               methodA()....
  #28 = Class              #37            // java/io/PrintStream
  #29 = NameAndType        #38:#39        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #30 = Utf8               methodB()....
  #31 = NameAndType        #19:#13        // methodA:()V
  #32 = Utf8               com/atguigu/java1/DynamicLinkingTest
  #33 = Utf8               java/lang/Object
  #34 = Utf8               java/lang/System
  #35 = Utf8               out
  #36 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #37 = Utf8               java/io/PrintStream
  #38 = Utf8               println
  #39 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  int num;
    descriptor: I
    flags:

  public com.atguigu.java1.DynamicLinkingTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: bipush        10
         7: putfield      #2                  // Field num:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 9: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  this   Lcom/atguigu/java1/DynamicLinkingTest;

  public void methodA();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #4                  // String methodA()....
         5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  this   Lcom/atguigu/java1/DynamicLinkingTest;

  public void methodB();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #6                  // String methodB()....
         5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: aload_0
         9: invokevirtual #7                  // Method methodA:()V
        12: aload_0
        13: dup
        14: getfield      #2                  // Field num:I
        17: iconst_1
        18: iadd
        19: putfield      #2                  // Field num:I
        22: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 18: 8
        line 20: 12
        line 21: 22
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      23     0  this   Lcom/atguigu/java1/DynamicLinkingTest;
}
SourceFile: "DynamicLinkingTest.java"

1、在字节码指令中，methodB() 方法中通过 invokevirtual #7 指令调用了方法 A ，那么 #7 是个啥呢？

2、往上面翻，找到常量池的定义：#7 = Methodref #8.#31

先找 #8 ：
- #8 = Class #32 ：去找 #32
- #32 = Utf8 com/atguigu/java1/DynamicLinkingTest
- 结论：通过 #8 我们找到了 DynamicLinkingTest 这个类
再来找 #31：
- #31 = NameAndType #19:#13 ：去找 #19 和 #13
- #19 = Utf8 methodA ：方法名为 methodA
- #13 = Utf8 ()V ：方法没有形参，返回值为 void

3、结论：通过 #7 我们就能找到需要调用的 methodA() 方法，并进行调用

4、在上面，其实还有很多符号引用，比如 Object、System、PrintStream 等等

为什么要用常量池呢？

因为在不同的方法，都可能调用常量或者方法，所以只需要存储一份即可，然后记录其引用即可，节省了空间。
常量池的作用：就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别

方法的调用

静态链接与动态链接

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关

静态链接：

当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期确定，且运行期保持不变时，这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接

动态链接：

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

早期绑定与晚期绑定

静态链接与动态链接针对的是方法。早期绑定和晚期绑定范围更广。早期绑定涵盖了静态链接，晚期绑定涵盖了动态链接。

静态链接和动态链接对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。

早期绑定

早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。

晚期绑定

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

class Animal {

    public void eat() {
        System.out.println("动物进食");
    }
}

interface Huntable {
    void hunt();
}

class Dog extends Animal implements Huntable {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃骨头");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，多管闲事");
    }
}

class Cat extends Animal implements Huntable {

    public Cat() {
        super();//表现为：早期绑定
    }

    public Cat(String name) {
        this();//表现为：早期绑定
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();//表现为：早期绑定
        System.out.println("猫吃鱼");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，天经地义");
    }
}

public class AnimalTest {
    public void showAnimal(Animal animal) {
        animal.eat();//表现为：晚期绑定
    }

    public void showHunt(Huntable h) {
        h.hunt();//表现为：晚期绑定
    }
}

部分字节码

{
  public com.atguigu.java2.AnimalTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 54: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/atguigu/java2/AnimalTest;

  public void showAnimal(com.atguigu.java2.Animal);
    descriptor: (Lcom/atguigu/java2/Animal;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=2
         0: aload_1
         1: invokevirtual #2                  // Method com/atguigu/java2/Animal.eat:()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 56: 0
        line 57: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/atguigu/java2/AnimalTest;
            0       5     1 animal   Lcom/atguigu/java2/Animal;

  public void showHunt(com.atguigu.java2.Huntable);
    descriptor: (Lcom/atguigu/java2/Huntable;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=2
         0: aload_1
         1: invokeinterface #3,  1            // InterfaceMethod com/atguigu/java2/Huntable.hunt:()V
         6: return
      LineNumberTable:
        line 60: 0
        line 61: 6
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       7     0  this   Lcom/atguigu/java2/AnimalTest;
            0       7     1     h   Lcom/atguigu/java2/Huntable;
}
SourceFile: "AnimalTest.java"

invokevirtual 体现为晚期绑定

invokeinterface 也体现为晚期绑定

invokespecial 体现为早期绑定

多态与绑定

随着高级语言的横空出世，类似于Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特性，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。
Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于C语言中的虚函数（C中则需要使用关键字virtual来显式定义）。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字final来标记这个方法。

虚方法与非虚方法

虚方法与非虚方法的区别

如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。
静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。
其他方法称为虚方法。

子类对象的多态的使用前提：

类的继承关系
方法的重写

虚拟机中调用方法的指令

普通指令：

invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
invokespecial：调用<init>方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
invokevirtual：调用所有虚方法
invokeinterface：调用接口方法

动态调用指令

invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预。而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。

举例

class Father {
    public Father() {
        System.out.println("father的构造器");
    }

    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("father " + str);
    }

    public final void showFinal() {
        System.out.println("father show final");
    }

    public void showCommon() {
        System.out.println("father 普通方法");
    }
}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        //invokespecial
        super();
    }

    public Son(int age) {
        //invokespecial
        this();
    }

    //不是重写的父类的静态方法，因为静态方法不能被重写！
    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("son " + str);
    }

    private void showPrivate(String str) {
        System.out.println("son private" + str);
    }

    public void show() {
        //invokestatic
        showStatic("atguigu.com");
        //invokestatic
        super.showStatic("good!");
        //invokespecial
        showPrivate("hello!");
        //invokespecial
        super.showCommon();

        //invokevirtual
        showFinal();//因为此方法声明有final，不能被子类重写，所以也认为此方法是非虚方法。
        //虚方法如下：
        
        /*
        invokevirtual  你没有显示的加super.，编译器认为你可能调用子类的showCommon(即使son子类没有重写，也		  会认为)，所以编译期间确定不下来，就是虚方法。
        */
        showCommon();
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface
        in.methodA();
    }

    public void info() {

    }

    public void display(Father f) {
        f.showCommon();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Son so = new Son();
        so.show();
    }
}

interface MethodInterface {
    void methodA();
}

Son 类中 show() 方法的字节码指令如下

关于 invokedynamic 指令

JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令，这是Java为了实现【动态类型语言】支持而做的一种改进。
但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8的Lambda表达式的出现，invokedynamic指令的生成，在Java中才有了直接的生成方式。
Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改，而不是对Java语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。

@FunctionalInterface
interface Func {
    public boolean func(String str);
}

public class Lambda {
    public void lambda(Func func) {
        return;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Lambda lambda = new Lambda();

        Func func = s -> {
            return true;
        };

        lambda.lambda(func);

        lambda.lambda(s -> {
            return true;
        });
    }
}

动态语言和静态语言

动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。
说的再直白一点就是，静态类型语言是判断变量自身的类型信息；动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息，这是动态语言的一个重要特征。

Java：String info = “mogu blog”; (Java是静态类型语言的，会先编译就进行类型检查) JS：var name = “shkstart”; var name = 10; （运行时才进行检查）

Python: info = 130.5 (运行时才检查)

Java语言中方法重写的本质

找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。
如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验。
- 如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束
- 如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError 异常
否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

上面这个过程称为动态分派

IllegalAccessError介绍

程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变。
比如，你把应该有的jar包放从工程中拿走了，或者Maven中存在jar包冲突

虚方法表

在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此，为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）来实现，非虚方法不会出现在表中。使用索引表来代替查找。【上面动态分派的过程，我们可以看到如果子类找不到，还要从下往上找其父类，非常耗时】
每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。
虚方法表是什么时候被创建的呢？虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM会把该类的虚方法表也初始化完毕。

例子1

如图所示：如果类中重写了方法，那么调用的时候，就会直接在该类的虚方法表中查找

1、比如说son在调用toString的时候，Son没有重写过，Son的父类Father也没有重写过，那就直接调用Object类的toString。那么就直接在虚方法表里指明toString直接指向Object类。

2、下次Son对象再调用toString就直接去找Object，不用先找Son–>再找Father–>最后才到Object的这样的一个过程。

例子2

方法返回地址

在一些帖子里，方法返回地址、动态链接、一些附加信息也叫做帧数据区

存放调用该方法的pc寄存器的值。一个方法的结束，有两种方式：
- 正常执行完成
- 出现未处理的异常，非正常退出
无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。
本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。
正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

方法退出的两种方式

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法，

正常退出：

执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；
一个方法在正常调用完成之后，究竟需要使用哪一个返回指令，还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。
在字节码指令中，返回指令包含：
- ireturn：当返回值是boolean，byte，char，short和int类型时使用
- lreturn：Long类型
- freturn：Float类型
- dreturn：Double类型
- areturn：引用类型
- return：返回值类型为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法

异常退出：

在方法执行过程中遇到异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。
方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码

异常处理表：

反编译字节码文件，可得到 Exception table
from ：字节码指令起始地址
to ：字节码指令结束地址
target ：出现异常跳转至地址为 11 的指令执行
type ：捕获异常的类型

一些附加信息

栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如：对程序调试提供支持的信息。

栈的相关面试题

举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
- 通过 -Xss设置栈的大小
调整栈大小，就能保证不出现溢出么？
- 不能保证不溢出
分配的栈内存越大越好么？
- 不是，一定时间内降低了OOM概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个空间是有限的。
垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？
- 不会

运行时数据区，是否存在Error和GC？

运行时数据区	是否存在Error	是否存在GC
程序计数器	否	否
虚拟机栈	是	否
本地方法栈	是	否
方法区	是（OOM）	是
堆	是	是

方法中定义的局部变量是否线程安全？

具体问题具体分析

如果只有一个线程才可以操作此数据，则必是线程安全的。
如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题。

具体问题具体分析：

如果对象是在内部产生，并在内部消亡，没有返回到外部，那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。

/**
 * 面试题：
 * 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体情况具体分析
 *
 *   何为线程安全？
 *      如果只有一个线程才可以操作此数据，则必是线程安全的。
 *      如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题。
 */
public class StringBuilderTest {

    int num = 10;

    //s1的声明方式是线程安全的（只在方法内部用了）
    public static void method1(){
        //StringBuilder:线程不安全
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        //...
    }
    //sBuilder的操作过程：是线程不安全的（作为参数传进来，可能被其它线程操作）
    public static void method2(StringBuilder sBuilder){
        sBuilder.append("a");
        sBuilder.append("b");
        //...
    }
    //s1的操作：是线程不安全的（有返回值，可能被其它线程操作）
    public static StringBuilder method3(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1;
    }
    //s1的操作：是线程安全的（s1自己消亡了，最后返回的智商s1.toString的一个新对象）
    public static String method4(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder s = new StringBuilder();


        new Thread(() -> {
            s.append("a");
            s.append("b");
        }).start();

        method2(s);

    }

}

六、堆

堆的核心概述

堆与进程

堆针对一个JVM进程来说是唯一的。也就是一个进程只有一个JVM实例，一个JVM实例中就有一个运行时数据区，一个运行时数据区只有一个堆和一个方法区。
但是进程包含多个线程，他们是共享同一堆空间的。

一个JVM实例只存在一个堆内存，堆也是Java内存管理的核心区域。
Java堆区在JVM启动的时候即被创建，其空间大小也就确定了，堆是JVM管理的最大一块内存空间，并且堆内存的大小是可以调节的。
《Java虚拟机规范》规定，堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。
所有的线程共享Java堆，在这里还可以划分线程私有的缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。
《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：所有的对象实例以及数组都应当在运行时分配在堆上。（The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated）
- 从实际使用角度看：“几乎”所有的对象实例都在堆分配内存，但并非全部。因为还有一些对象是在栈上分配的（逃逸分析，标量替换）
数组和对象可能永远不会存储在栈上（不一定），因为栈帧中保存引用，这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。
在方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
- 也就是触发了GC的时候，才会进行回收
- 如果堆中对象马上被回收，那么用户线程就会收到影响，因为有stop the word
堆，是GC（Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。

随着JVM的迭代升级，原来一些绝对的事情，在后续版本中也开始有了特例，变的不再那么绝对。

public class SimpleHeap {
    private int id;//属性、成员变量
    public SimpleHeap(int id) {
        this.id = id;
    }
    public void show() {
        System.out.println("My ID is " + id);
    }
    public static void main(String[] args) {
        SimpleHeap sl = new SimpleHeap(1);
        SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
        int[] arr = new int[10];
        Object[] arr1 = new Object[10];
    }
}

堆内存细分

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间细分为：

Java7 及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+永久区
- Young Generation Space 新生区 Young/New
  - 又被划分为Eden区和Survivor区
- Old generation space 养老区 Old/Tenure
- Permanent Space 永久区 Perm
Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+元空间
- Young Generation Space 新生区，又被划分为Eden区和Survivor区
- Old generation space 养老区
- Meta Space 元空间 Meta

约定：新生区 <–> 新生代 <–> 年轻代、养老区 <–> 老年区 <–> 老年代、永久区 <–> 永久代

堆空间内部结构，JDK1.8之前从永久代替换成元空间

JVisualVM可视化查看堆内存

运行下面代码

public class HeapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start...");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(30);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("end...");
    }
}

1、双击jdk目录下的这个文件

2、工具 -> 插件 -> 安装Visual GC插件

3、运行上面的代码

设置堆内存大小与 OOM

设置堆内存

Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项"-Xms"和"-Xmx"来进行设置。
- -Xms用于表示堆区的起始内存，等价于**-XX:InitialHeapSize**
- -Xmx则用于表示堆区的最大内存，等价于**-XX:MaxHeapSize**
一旦堆区中的内存大小超过“-Xmx"所指定的最大内存时，将会抛出OutofMemoryError异常。
通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值

原因：假设两个不一样，初始内存小，最大内存大。在运行期间如果堆内存不够用了，会一直扩容直到最大内存。如果内存够用且多了，也会不断的缩容释放。频繁的扩容和释放造成不必要的压力，避免在GC之后调整堆内存给服务器带来压力。
如果两个设置一样的就少了频繁扩容和缩容的步骤。内存不够了就直接报OOM

默认情况下:
- 初始内存大小：物理电脑内存大小/64
- 最大内存大小：物理电脑内存大小/4

/**
 * 1. 设置堆空间大小的参数
 * -Xms 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的初始内存大小
 *      -X 是jvm的运行参数
 *      ms 是memory start
 * -Xmx 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的最大内存大小
 *
 * 2. 默认堆空间的大小
 *    初始内存大小：物理电脑内存大小 / 64
 *             最大内存大小：物理电脑内存大小 / 4
 * 3. 手动设置：-Xms600m -Xmx600m
 *     开发中建议将初始堆内存和最大的堆内存设置成相同的值。
 *
 * 4. 查看设置的参数：方式一： jps   /  jstat -gc 进程id
 *                  方式二：-XX:+PrintGCDetails
 */
public class HeapSpaceInitial {
    public static void main(String[] args) {
        //返回Java虚拟机中的堆内存总量
        long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        //返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;
        System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M");
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");
        System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");
        System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
输出结果：
-Xms : 123M
-Xmx : 1794M
系统内存大小为：7.6875G
系统内存大小为：7.0078125G

1、笔者电脑内存大小是8G，不足8G的原因是操作系统自身还占据了一些。 2、两个不一样的原因待会再说设置下参数再看

public class HeapSpaceInitial {
    public static void main(String[] args) {
        //返回Java虚拟机中的堆内存总量
        long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        //返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;
        System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M");
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
输出结果：
-Xms : 575M
-Xmx : 575M

为什么会少25M 方式一： jps / jstat -gc 进程id

jps：查看java进程 jstat：查看某进程内存使用情况

SOC: S0区总共容量 S1C: S1区总共容量 S0U: S0区使用的量 S1U: S1区使用的量 EC: 伊甸园区总共容量 EU: 伊甸园区使用的量 OC: 老年代总共容量 OU: 老年代使用的量 1、 25600+25600+153600+409600 = 614400K 614400 /1024 = 600M 2、 25600+153600+409600 = 588800K 588800 /1024 = 575M 3、并非巧合，S0区和S1区两个只有一个能使用，另一个用不了（后面会详解） 方式二：-XX:+PrintGCDetails

OOM

public class OOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Picture> list = new ArrayList<>();
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            list.add(new Picture(new Random().nextInt(1024 * 1024)));
        }
    }
}
class Picture{
    private byte[] pixels;
    public Picture(int length) {
        this.pixels = new byte[length];
    }
}

1、设置虚拟机参数 -Xms600m -Xmx600m 最终输出结果： Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space at com.atguigu.java.Picture.(OOMTest.java:29) at com.atguigu.java.OOMTest.main(OOMTest.java:20) Process finished with exit code 1 2、堆内存变化图

3、原因：大对象导致堆内存溢出

年轻代与老年代

1、存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：

一类是生命周期较短的瞬时对象，这类对象的创建和消亡都非常迅速
另外一类对象的生命周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致 2、Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（oldGen） 3、其中年轻代又可以划分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间（有时也叫做from区、to区）

配置新生代与老年代在堆结构的占比
- 默认**-XX:NewRatio**=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆的1/3
- 可以修改**-XX:NewRatio**=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5

在HotSpot中，Eden空间和另外两个survivor空间缺省所占的比例是8 : 1 : 1，
当然开发人员可以通过选项**-XX:SurvivorRatio**调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8
几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。
绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了（有些大的对象在Eden区无法存储时候，将直接进入老年代），IBM公司的专门研究表明，新生代中80%的对象都是“朝生夕死”的。
可以使用选项"-Xmn"设置新生代最大内存大小，但这个参数一般使用默认值就可以了。

/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 *
 * -XX:NewRatio ： 设置新生代与老年代的比例。默认值是2.
 * -XX:SurvivorRatio ：设置新生代中Eden区与Survivor区的比例。默认值是8
 * -XX:-UseAdaptiveSizePolicy ：关闭自适应的内存分配策略  （暂时用不到）
 * -Xmn:设置新生代的空间的大小。 （一般不设置）
 */
public class EdenSurvivorTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("我只是来打个酱油~");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

图解对象分配过程

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。 具体过程

new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（MinorGC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区。
然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。
如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者0区的，如果没有回收，就会放到幸存者1区。
如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者0区，接着再去幸存者1区。
啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次。可以设置新生区进入养老区的年龄限制，设置 JVM 参数：-XX:MaxTenuringThreshold=N 进行设置
在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，再次触发GC：Major GC，进行养老区的内存清理
若养老区执行了Major GC之后，发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常。

图解对象分配（一般情况）

1、我们创建的对象，一般都是存放在Eden区的，当我们Eden区满了后，就会触发GC操作，一般被称为 YGC / Minor GC操作

2、当我们进行一次垃圾收集后，红色的对象将会被回收，而绿色的独享还被占用着，存放在S0(Survivor From)区。同时我们给每个对象设置了一个年龄计数器，经过一次回收后还存在的对象，将其年龄加 1。 3、同时Eden区继续存放对象，当Eden区再次存满的时候，又会触发一个MinorGC操作，此时GC将会把 Eden和Survivor From中的对象进行一次垃圾收集，把存活的对象放到 Survivor To（S1）区，同时让存活的对象年龄 + 1

下一次再进行GC的时候， 1、这一次的s0区为空，所以成为下一次GC的S1区 2、这一次的s1区则成为下一次GC的S0区 3、也就是说s0区和s1区在互相转换。

4、我们继续不断的进行对象生成和垃圾回收，当Survivor中的对象的年龄达到15的时候，将会触发一次 Promotion 晋升的操作，也就是将年轻代中的对象晋升到老年代中

关于垃圾回收：频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区/元空间收集。

特殊情况说明

对象分配的特殊情况

如果来了一个新对象，先看看 Eden 是否放的下？
- 如果 Eden 放得下，则直接放到 Eden 区
- 如果 Eden 放不下，则触发 YGC ，执行垃圾回收，看看还能不能放下？
将对象放到老年区又有两种情况：
- 如果 Eden 执行了 YGC 还是无法放不下该对象，那没得办法，只能说明是超大对象，只能直接放到老年代
- 那万一老年代都放不下，则先触发FullGC ，再看看能不能放下，放得下最好，但如果还是放不下，那只能报 OOM
如果 Eden 区满了，将对象往幸存区拷贝时，发现幸存区放不下啦，那只能便宜了某些新对象，让他们直接晋升至老年区

常用调优工具

JDK命令行
Eclipse：Memory Analyzer Tool
Jconsole
Visual VM（实时监控，推荐）
Jprofiler（IDEA插件）
Java Flight Recorder（实时监控）
GCViewer
GCEasy

GC分类

我们都知道，JVM的调优的一个环节，也就是垃圾收集，我们需要尽量的避免垃圾回收，因为在垃圾回收的过程中，容易出现STW（Stop the World）的问题，而 Major GC 和 Full GC出现STW的时间，是Minor GC的10倍以上
JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。针对Hotspot VM的实现，它里面的GC按照回收区域又分为两大种类型：一种是部分收集（Partial GC），一种是整堆收集（FullGC）

部分收集：不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为：
- 新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代（Eden，s0，s1）的垃圾收集
- 老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的圾收集。
- 目前，只有CMS GC会有单独收集老年代的行为。
- 注意，很多时候Major GC会和Full GC混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。
- 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前，只有G1 GC会有这种行为
整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

由于历史原因，外界各种解读，majorGC和Full GC有些混淆。

Young GC

年轻代 GC（Minor GC）触发机制

当年轻代空间不足时，就会触发Minor GC，这里的年轻代满指的是Eden代满。Survivor满不会主动引发GC，在Eden区满的时候，会顺带触发s0区的GC，也就是被动触发GC（每次Minor GC会清理年轻代的内存）
因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。这一定义既清晰又易于理解。
Minor GC会引发STW（Stop The World），暂停其它用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行

Major/Full GC

Full GC有争议，后续详解两者区别，暂时先看着

老年代GC（MajorGC）触发机制

指发生在老年代的GC，对象从老年代消失时，我们说 “Major Gc” 或 “Full GC” 发生了
出现了MajorGc，经常会伴随至少一次的Minor GC。（但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行MajorGC的策略选择过程）
- 也就是在老年代空间不足时，会先尝试触发Minor GC（哈？我有点迷？），如果之后空间还不足，则触发Major GC
Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW的时间更长。
如果Major GC后，内存还不足，就报OOM了

Full GC 触发机制（后面细讲） 触发Full GC执行的情况有如下五种：

调用System.gc()时，系统建议执行FullGC，但是不必然执行
老年代空间不足
方法区空间不足
通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
由Eden区、survivor space0（From Space）区向survivor space1（To Space）区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

说明：Full GC 是开发或调优中尽量要避免的。这样STW时间会短一些

GC日志分析

输出： [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2037K->504K(2560K)] 2037K->728K(9728K), 0.0455865 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.06 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2246K->496K(2560K)] 2470K->1506K(9728K), 0.0009094 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2294K->488K(2560K)] 3305K->2210K(9728K), 0.0009568 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1231K->488K(2560K)] 7177K->6434K(9728K), 0.0005594 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 488K->472K(2560K)] 6434K->6418K(9728K), 0.0005890 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] [Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 472K->0K(2560K)] [ParOldGen: 5946K->4944K(7168K)] 6418K->4944K(9728K), [Metaspace: 3492K->3492K(1056768K)], 0.0045270 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(1536K)] 4944K->4944K(8704K), 0.0004954 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] [Full GC (Allocation Failure) java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332) at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124) at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:448) at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136) at com.atguigu.java1.GCTest.main(GCTest.java:20) [PSYoungGen: 0K->0K(1536K)] [ParOldGen: 4944K->4877K(7168K)] 4944K->4877K(8704K), [Metaspace: 3492K->3492K(1056768K)], 0.0076061 secs] [Times: user=0.00 sys=0.02, real=0.01 secs] 遍历次数为：16 Heap PSYoungGen total 1536K, used 60K [0x00000000ffd00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000) eden space 1024K, 5% used [0x00000000ffd00000,0x00000000ffd0f058,0x00000000ffe00000) from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000) to space 1024K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x00000000fff00000) ParOldGen total 7168K, used 4877K [0x00000000ff600000, 0x00000000ffd00000, 0x00000000ffd00000) object space 7168K, 68% used [0x00000000ff600000,0x00000000ffac3408,0x00000000ffd00000) Metaspace used 3525K, capacity 4502K, committed 4864K, reserved 1056768K class space used 391K, capacity 394K, committed 512K, reserved 1048576K [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2037K->504K(2560K)] 2037K->728K(9728K), 0.0455865 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.06 secs]

[PSYoungGen: 2037K->504K(2560K)]：年轻代总空间为 2560K ，当前占用 2037K ，经过垃圾回收后剩余504K
2037K->728K(9728K)：堆内存总空间为 9728K ，当前占用2037K ，经过垃圾回收后剩余728K

堆空间分代思想

为什么要把Java堆分代？不分代就不能正常工作了吗？经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象是临时对象。

新生代：有Eden、两块大小相同的survivor（又称为from/to或s0/s1）构成，to总为空。
老年代：存放新生代中经历多次GC仍然存活的对象。

其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。

如果没有分代，那所有的对象都在一块，就如同把一个学校的人都关在一个教室。GC的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描。（性能低）
而很多对象都是朝生夕死的，如果分代的话，把新创建的对象放到某一地方，当GC的时候先把这块存储“朝生夕死”对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来。（多回收新生代，少回收老年代，性能会提高很多）

对象内存分配策略

如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1。
对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁，其实每个JVM、每个GC都有所不同）时，就会被晋升到老年代
对象晋升老年代的年龄阀值，可以通过选项**-XX:MaxTenuringThreshold**来设置

针对不同年龄段的对象分配原则如下所示：

优先分配到Eden：开发中比较长的字符串或者数组，会直接存在老年代，但是因为新创建的对象都是朝生夕死的，所以这个大对象可能也很快被回收，但是因为老年代触发Major GC的次数比 Minor GC要更少，因此可能回收起来就会比较慢
大对象直接分配到老年代：尽量避免程序中出现过多的大对象
长期存活的对象分配到老年代
动态对象年龄判断：如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
空间分配担保： -XX:HandlePromotionFailure 。

一些细节放在后面说

TLAB为对象分配内存（保证线程安全）

为什么有 TLAB

堆区是线程共享区域，任何线程都可以访问到堆区中的共享数据
由于对象实例的创建在JVM中非常频繁，因此在并发环境下从堆区中划分内存空间是线程不安全的
为避免多个线程操作同一地址，需要使用加锁等机制，进而影响分配速度。

什么是 TLAB

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区域继续进行划分，JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域，它包含在Eden空间内。
多线程同时分配内存时，使用TLAB可以避免一系列的非线程安全问题，同时还能够提升内存分配的吞吐量，因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略。
据我所知所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

1、每个线程都有一个TLAB空间 2、当一个线程的TLAB存满时，可以使用公共区域（蓝色）的

TLAB再说明

尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，但JVM确实是将TLAB作为内存分配的首选。
在程序中，开发人员可以通过选项“-XX:UseTLAB”设置是否开启TLAB空间。
默认情况下，TLAB空间的内存非常小，仅占有整个Eden空间的1%，当然我们可以通过选项“-XX:TLABWasteTargetPercent”设置TLAB空间所占用Eden空间的百分比大小。
一旦对象在TLAB空间分配内存失败时，JVM就会尝试着通过使用加锁机制确保数据操作的原子性，从而直接在Eden空间中分配内存。

1、哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定 ----这是《深入理解JVM》–第三版里说的 2、和这里讲的有点不同。我猜测说的意思是某一次分配，如果TLAB用完了，那么这一次先在Eden区直接分配。空闲下来后再加锁分配新的TLAB（TLAB内存较大，分配时间应该较长）

TLAB 分配过程

堆空间参数设置

常用参数设置

官方文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html 我们只说常用的

/**

测试堆空间常用的jvm参数：

-XX:+PrintFlagsInitial : 查看所有的参数的默认初始值

-XX:+PrintFlagsFinal ：查看所有的参数的最终值（可能会存在修改，不再是初始值）

-Xms：初始堆空间内存（默认为物理内存的1/64）

-Xmx：最大堆空间内存（默认为物理内存的1/4）

-Xmn：设置新生代的大小。(初始值及最大值)

-XX:NewRatio：配置新生代与老年代在堆结构的占比

-XX:SurvivorRatio：设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例

-XX:MaxTenuringThreshold：设置新生代垃圾的最大年龄

-XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志

打印gc简要信息：① -XX:+PrintGC ② -verbose:gc

-XX:HandlePromotionFailure：是否设置空间分配担保 */

空间分配担保

1、在发生Minor GC之前，虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间。

如果大于，则此次Minor GC是安全的
如果小于，则虚拟机会查看**-XX:HandlePromotionFailure**设置值是否允担保失败。
- 如果HandlePromotionFailure=true，那么会继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小。
  - 如果大于，则尝试进行一次Minor GC，但这次Minor GC依然是有风险的；
  - 如果小于，则进行一次Full GC。
- 如果HandlePromotionFailure=false，则进行一次Full GC。

历史版本

在JDK6 Update 24之后，HandlePromotionFailure参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，观察openJDK中的源码变化，虽然源码中还定义了HandlePromotionFailure参数，但是在代码中已经不会再使用它。
JDK6 Update 24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC，否则将进行Full GC。即 HandlePromotionFailure=true

堆是分配对象的唯一选择么？

在《深入理解Java虚拟机》中关于Java堆内存有这样一段描述：

随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。
在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析（Escape Analysis）后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。
此外，前面提到的基于OpenJDK深度定制的TaoBao VM，其中创新的GCIH（GC invisible heap）技术实现off-heap，将生命周期较长的Java对象从heap中移至heap外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。

逃逸分析

如何将堆上的对象分配到栈，需要使用逃逸分析手段。
这是一种可以有效减少Java程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。
通过逃逸分析，Java Hotspot编译器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围从而决定是否要将这个对象分配到堆上。
逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：
- 当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。
- 当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方中。

逃逸分析举例 1、没有发生逃逸的对象，则可以分配到栈（无线程安全问题）上，随着方法执行的结束，栈空间就被移除（也就无需GC） public void my_method() { V v = new V(); // use v // … v = null; } 2、下面代码中的 StringBuffer sb 发生了逃逸，不能在栈上分配 public static StringBuffer createStringBuffer(String s1, String s2) { StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append(s1); sb.append(s2); return sb; } 3、如果想要StringBuffer sb不发生逃逸，可以这样写 public static String createStringBuffer(String s1, String s2) { StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append(s1); sb.append(s2); return sb.toString(); } /**

逃逸分析
如何快速的判断是否发生了逃逸分析，大家就看new的对象实体是否有可能在方法外被调用。 / public class EscapeAnalysis { public EscapeAnalysis obj; / 方法返回EscapeAnalysis对象，发生逃逸 / public EscapeAnalysis getInstance(){ return obj == null? new EscapeAnalysis() : obj; } / 为成员属性赋值，发生逃逸 / public void setObj(){ this.obj = new EscapeAnalysis(); } //思考：如果当前的obj引用声明为static的？仍然会发生逃逸。 / 对象的作用域仅在当前方法中有效，没有发生逃逸 / public void useEscapeAnalysis(){ EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis(); } / 引用成员变量的值，发生逃逸 */ public void useEscapeAnalysis1(){ EscapeAnalysis e = getInstance(); //getInstance().xxx()同样会发生逃逸 } } 逃逸分析参数设置

在JDK 1.7 版本之后，HotSpot中默认就已经开启了逃逸分析
如果使用的是较早的版本，开发人员则可以通过：
- 选项“-XX:+DoEscapeAnalysis"显式开启逃逸分析
- 通过选项“-XX:+PrintEscapeAnalysis"查看逃逸分析的筛选结果

总结开发中能使用局部变量的，就不要使用在方法外定义。

代码优化

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

栈上分配：将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会发生逃逸，对象可能是栈上分配的候选，而不是堆上分配
同步省略：如果一个对象被发现只有一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
分离对象或标量替换：有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。

栈上分配

JIT编译器在编译期间根据逃逸分析的结果，发现如果一个对象并没有逃逸出方法的话，就可能被优化成栈上分配。分配完成后，继续在调用栈内执行，最后线程结束，栈空间被回收，局部变量对象也被回收。这样就无须进行垃圾回收了。
常见的栈上分配的场景：在逃逸分析中，已经说明了，分别是给成员变量赋值、方法返回值、实例引用传递。

栈上分配举例 /**

栈上分配测试
-Xmx128m -Xms128m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails */ public class StackAllocation { public static void main(String[] args) { long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < 10000000; i++) { alloc(); } // 查看执行时间 long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println(“花费的时间为： " + (end - start) + " ms”); // 为了方便查看堆内存中对象个数，线程sleep try { Thread.sleep(1000000); } catch (InterruptedException e1) { e1.printStackTrace(); } } private static void alloc() { User user = new User();//未发生逃逸 } static class User { } } 输出结果： [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 33280K->808K(38400K)] 33280K->816K(125952K), 0.0483350 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.06 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 34088K->808K(38400K)] 34096K->816K(125952K), 0.0008411 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 34088K->792K(38400K)] 34096K->800K(125952K), 0.0008427 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 34072K->808K(38400K)] 34080K->816K(125952K), 0.0012223 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.00 secs] 花费的时间为： 114 ms 1、JVM 参数设置 -Xmx128m -Xms128m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails 2、日志打印：发生了 GC ，耗时 114ms 开启逃逸分析的情况 输出结果：花费的时间为： 5 ms 1、参数设置 -Xmx128m -Xms128m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails 2、日志打印：并没有发生 GC ，耗时5ms 。

同步省略（同步消除）

线程同步的代价是相当高的，同步的后果是降低并发性和性能。
在动态编译同步块的时候，JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁对象是否只能够被一个线程访问而没有被发布到其他线程。
如果没有，那么JIT编译器在编译这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

例如下面的代码 public void f() { Object hollis = new Object(); synchronized(hollis) { System.out.println(hollis); } } 代码中对hollis这个对象加锁，但是hollis对象的生命周期只在f()方法中，并不会被其他线程所访问到，所以在JIT编译阶段就会被优化掉，优化成： public void f() { Object hellis = new Object(); System.out.println(hellis); } 字节码分析 public class SynchronizedTest { public void f() { Object hollis = new Object(); synchronized(hollis) { System.out.println(hollis); } } } 0 new #2 <java/lang/Object> 3 dup 4 invokespecial #1 <java/lang/Object.> 7 astore_1 8 aload_1 9 dup 10 astore_2 11 monitorenter 12 getstatic #3 <java/lang/System.out> 15 aload_1 16 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println> 19 aload_2 20 monitorexit 21 goto 29 (+8) 24 astore_3 25 aload_2 26 monitorexit 27 aload_3 28 athrow 29 return 注意：字节码文件中并没有进行优化，可以看到加锁和释放锁的操作依然存在，同步省略操作是在解释运行时发生的

标量替换

分离对象或标量替换

标量（scalar）是指一个无法再分解成更小的数据的数据。Java中的原始数据类型就是标量。
相对的，那些还可以分解的数据叫做聚合量（Aggregate），Java中的对象就是聚合量，因为他可以分解成其他聚合量和标量。
在JIT阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过JIT优化，就会把这个对象拆解成若干个其中包含的若干个成员变量来代替。这个过程就是标量替换。

标量替换举例 代码 public static void main(String args[]) { alloc(); } private static void alloc() { Point point = new Point(1,2); System.out.println(“point.x” + point.x + “;point.y” + point.y); } class Point { private int x; private int y; } 以上代码，经过标量替换后，就会变成 private static void alloc() { int x = 1; int y = 2; System.out.println("point.x = " + x + “; point.y=” + y); }

可以看到，Point这个聚合量经过逃逸分析后，发现他并没有逃逸，就被替换成两个聚合量了。
那么标量替换有什么好处呢？就是可以大大减少堆内存的占用。因为一旦不需要创建对象了，那么就不再需要分配堆内存了。
标量替换为栈上分配提供了很好的基础。

标量替换参数设置 参数 -XX:+ElimilnateAllocations：开启了标量替换（默认打开），允许将对象打散分配在栈上。 代码示例 /**

标量替换测试
-Xmx100m -Xms100m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-EliminateAllocations
@author shkstart shkstart@126.com
@create 2020 12:01 */ public class ScalarReplace { public static class User { public int id; public String name; } public static void alloc() { User u = new User();//未发生逃逸 u.id = 5; u.name = “www.atguigu.com”; } public static void main(String[] args) { long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < 10000000; i++) { alloc(); } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println(“花费的时间为： " + (end - start) + " ms”); } } 未开启标量替换 1、JVM 参数 -Xmx100m -Xms100m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-EliminateAllocations 2、日志 [GC (Allocation Failure) 25600K->880K(98304K), 0.0012658 secs] [GC (Allocation Failure) 26480K->832K(98304K), 0.0012124 secs] [GC (Allocation Failure) 26432K->784K(98304K), 0.0009719 secs] [GC (Allocation Failure) 26384K->832K(98304K), 0.0009071 secs] [GC (Allocation Failure) 26432K->768K(98304K), 0.0010643 secs] [GC (Allocation Failure) 26368K->824K(101376K), 0.0012354 secs] [GC (Allocation Failure) 32568K->712K(100864K), 0.0011291 secs] [GC (Allocation Failure) 32456K->712K(100864K), 0.0006368 secs] 花费的时间为： 99 ms 开启标量替换 1、JVM 参数 -Xmx100m -Xms100m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+EliminateAllocations 2、日志：时间减少很多，且无GC 花费的时间为： 6 ms 上述代码在主函数中调用了1亿次alloc()方法，进行对象创建由于User对象实例需要占据约16字节的空间，因此累计分配空间达到将近1.5GB。如果堆空间小于这个值，就必然会发生GC。使用如下参数运行上述代码： -server -Xmx100m -Xms100m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+EliminateAllocations 这里设置参数如下：

参数 -server：启动Server模式，因为在server模式下，才可以启用逃逸分析。
参数 -XX:+DoEscapeAnalysis：启用逃逸分析
参数 -Xmx10m：指定了堆空间最大为10MB
参数 -XX:+PrintGC：将打印GC日志。
参数 -XX:+EliminateAllocations：开启了标量替换（默认打开），允许将对象打散分配在栈上，比如对象拥有id和name两个字段，那么这两个字段将会被视为两个独立的局部变量进行分配

逃逸分析的不足

关于逃逸分析的论文在1999年就已经发表了，但直到JDK1.6才有实现，而且这项技术到如今也并不是十分成熟的。
其根本原因就是无法保证逃逸分析的性能消耗一定能高于他的消耗。虽然经过逃逸分析可以做标量替换、栈上分配、和锁消除。但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析的，这其实也是一个相对耗时的过程。
一个极端的例子，就是经过逃逸分析之后，发现没有一个对象是不逃逸的。那这个逃逸分析的过程就白白浪费掉了。
虽然这项技术并不十分成熟，但是它也是即时编译器优化技术中一个十分重要的手段。
注意到有一些观点，认为通过逃逸分析，JVM会在栈上分配那些不会逃逸的对象，这在理论上是可行的，但是取决于JVM设计者的选择。据我所知，Oracle Hotspot JVM中并未这么做（刚刚演示的效果，是因为HotSpot实现了标量替换），这一点在逃逸分析相关的文档里已经说明，所以可以明确在HotSpot虚拟机上，所有的对象实例都是创建在堆上。
目前很多书籍还是基于JDK7以前的版本，JDK已经发生了很大变化，intern字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上，而永久代已经被元数据区取代。但是intern字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区，而是直接在堆上分配，所以这一点同样符合前面一点的结论：对象实例都是分配在堆上。

堆是分配对象的唯一选择么？

综上：对象实例都是分配在堆上。What the fuck？

小结

年轻代是对象的诞生、成长、消亡的区域，一个对象在这里产生、应用，最后被垃圾回收器收集、结束生命。
老年代放置长生命周期的对象，通常都是从Survivor区域筛选拷贝过来的Java对象。
当然，也有特殊情况，我们知道普通的对象可能会被分配在TLAB上；
如果对象较大，无法分配在 TLAB 上，则JVM会试图直接分配在Eden其他位置上；
如果对象太大，完全无法在新生代找到足够长的连续空闲空间，JVM就会直接分配到老年代。
当GC只发生在年轻代中，回收年轻代对象的行为被称为Minor GC。
当GC发生在老年代时则被称为Major GC或者Full GC。
一般的，Minor GC的发生频率要比Major GC高很多，即老年代中垃圾回收发生的频率将大大低于年轻代。

七、对象的实例化内存布局与访问定位

对象的实例化

大厂面试题

美团：

对象在JVM中是怎么存储的？
对象头信息里面有哪些东西？

蚂蚁金服：

二面：java对象头里有什么

对象创建的方式

new：最常见的方式、单例类中调用getInstance的静态类方法，XXXFactory的静态方法
Class的newInstance方法：在JDK9里面被标记为过时的方法，因为只能调用空参构造器，并且权限必须为 public
Constructor的newInstance(Xxxx)：反射的方式，可以调用空参的，或者带参的构造器
使用clone()：不调用任何的构造器，要求当前的类需要实现Cloneable接口中的clone方法
使用序列化：从文件中，从网络中获取一个对象的二进制流，序列化一般用于Socket的网络传输
第三方库 Objenesis

对象创建的步骤

从字节码看待对象的创建过程

public class ObjectTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/lang/Object
         3: dup           
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         7: astore_1
         8: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            8       1     1   obj   Ljava/lang/Object;
}

1、判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载，解析和初始化。（即判断类元信息是否存在）。
如果该类没有加载，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader + 包名 + 类名为key进行查找对应的.class文件，如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的Class对象。

2、为对象分配内存

首先计算对象占用空间的大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小
如果内存规整：采用指针碰撞分配内存
- 如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。
- 意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存放另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针往空闲内存那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。
- 如果垃圾收集器选择的是Serial ，ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带Compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
- 标记压缩（整理）算法会整理内存碎片，堆内存一存对象，另一边为空闲区域
如果内存不规整
- 如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表来为对象分配内存。
- 意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的内容。这种分配方式成为了 “空闲列表（Free List）”
- 选择哪种分配方式由Java堆是否规整所决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定
- 标记清除算法清理过后的堆内存，就会存在很多内存碎片。

3、处理并发问题

采用CAS+失败重试保证更新的原子性
每个线程预先分配TLAB - 通过设置 -XX:+UseTLAB参数来设置（区域加锁机制）
在Eden区给每个线程分配一块区域

4、初始化分配到的空间

所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值可以直接使用
给对象属性赋值的顺序：

属性的默认值初始化
显示初始化/代码块初始化（并列关系，谁先谁后看代码编写的顺序）
构造器初始化

5、设置对象的对象头

将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

6、执行init方法进行初始化

在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量
因此一般来说（由字节码中跟随invokespecial指令所决定），new指令之后会接着就是执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完成创建出来。

从字节码角度看 init 方法

/**
 * 测试对象实例化的过程
 *  ① 加载类元信息 - ② 为对象分配内存 - ③ 处理并发问题  - ④ 属性的默认初始化（零值初始化）
 *  - ⑤ 设置对象头的信息 - ⑥ 属性的显式初始化、代码块中初始化、构造器中初始化
 *
 *
 *  给对象的属性赋值的操作：
 *  ① 属性的默认初始化 - ② 显式初始化 / ③ 代码块中初始化 - ④ 构造器中初始化
 */

public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }

}
class Account{

}

Customer类的字节码

 0 aload_0
 1 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
 4 aload_0
 5 sipush 1001
 8 putfield #2 <com/atguigu/java/Customer.id>
11 aload_0
12 ldc #3 <匿名客户>
14 putfield #4 <com/atguigu/java/Customer.name>
17 aload_0
18 new #5 <com/atguigu/java/Account>
21 dup
22 invokespecial #6 <com/atguigu/java/Account.<init>>
25 putfield #7 <com/atguigu/java/Customer.acct>
28 return

init() 方法的字节码指令：
- 属性的默认值初始化：id = 1001;
- 显示初始化/代码块初始化：name = "匿名客户";
- 构造器初始化：acct = new Account();

对象的内存布局

内存布局总结

public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }
	public static void main(String[] args) {
        Customer cust = new Customer();
    }
}
class Account{

}

图解内存布局

对象的访问定位

JVM是如何通过栈帧中的对象引用访问到其内部的对象实例呢？

定位，通过栈上reference访问

对象的两种访问方式：句柄访问和直接指针

1、句柄访问

缺点：在堆空间中开辟了一块空间作为句柄池，句柄池本身也会占用空间；通过两次指针访问才能访问到堆中的对象，效率低
优点：reference中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference本身不需要被修改

2、直接指针（HotSpot采用）

优点：直接指针是局部变量表中的引用，直接指向堆中的实例，在对象实例中有类型指针，指向的是方法区中的对象类型数据
缺点：对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时需要修改 reference 的值

八、执行引擎

执行引擎概述

执行引擎概述

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。
“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM所识别的字节码指令、符号表，以及其他辅助信息。
那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎（Execution Engine）的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

1、前端编译：从Java程序员-字节码文件的这个过程叫前端编译

2、执行引擎这里有两种行为：一种是解释执行，一种是编译执行（这里的是后端编译）。

执行引擎工作过程

执行引擎工作过程

执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器。
每当执行完一项指令操作后，PC寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
当然方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在Java堆区中的对象实例信息，以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。
从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、处理、输出都是一致的：输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行、即时编译的等效过程，输出的是执行过程。

Java代码编译和执行过程

解释执行和即时编译

大部分的程序代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过下图中的各个步骤：

前面橙色部分是编译生成生成字节码文件的过程（javac编译器来完成，也就是前端编译器），和JVM没有关系。
后面绿色（解释执行）和蓝色（即时编译）才是JVM需要考虑的过程

javac编译器（前端编译器）流程图如下所示：

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示

什么是解释器？什么是JIT编译器？

解释器：当Java虚拟机启动时会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
JIT（Just In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将源代码一次性直接编译成和本地机器平台相关的机器语言，但并不是马上执行。

为什么Java是半编译半解释型语言？

JDK1.0时代，将Java语言定位为“解释执行”还是比较准确的。再后来，Java也发展出可以直接生成本地代码的编译器。
现在JVM在执行Java代码的时候，通常都会将解释执行与编译执行二者结合起来进行。
JIT编译器将字节码翻译成本地代码后，就可以做一个缓存操作，存储在方法区的JIT 代码缓存中（执行效率更高了），并且在翻译成本地代码的过程中可以做优化。

用图总结一下

机器码指令汇编语言

机器码

各种用二进制编码方式表示的指令，叫做机器指令码。开始，人们就用它采编写程序，这就是机器语言。
机器语言虽然能够被计算机理解和接受，但和人们的语言差别太大，不易被人们理解和记忆，并且用它编程容易出差错。
用它编写的程序一经输入计算机，CPU直接读取运行，因此和其他语言编的程序相比，执行速度最快。
机器指令与CPU紧密相关，所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同。

指令和指令集

指令

由于机器码是由0和1组成的二进制序列，可读性实在太差，于是人们发明了指令。
指令就是把机器码中特定的0和1序列，简化成对应的指令（一般为英文简写，如mov，inc等），可读性稍好
由于不同的硬件平台，执行同一个操作，对应的机器码可能不同，所以不同的硬件平台的同一种指令（比如mov），对应的机器码也可能不同。

指令集

不同的硬件平台，各自支持的指令，是有差别的。因此每个平台所支持的指令，称之为对应平台的指令集。如常见的

x86指令集，对应的是x86架构的平台
ARM指令集，对应的是ARM架构的平台

汇编语言

由于指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。
在汇编语言中，用助记符（Mnemonics）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或操作数的地址。
在不同的硬件平台，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。
由于计算机只认识指令码，所以用汇编语言编写的程序还必须翻译（汇编）成机器指令码，计算机才能识别和执行。

高级语言

为了使计算机用户编程序更容易些，后来就出现了各种高级计算机语言。高级语言比机器语言、汇编语言更接近人的语言
当计算机执行高级语言编写的程序时，仍然需要把程序解释和编译成机器的指令码。完成这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序。

字节码

字节码是一种中间状态（中间码）的二进制代码（文件），它比机器码更抽象，需要直译器转译后才能成为机器码
字节码主要为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关。
字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。编译器将源码编译成字节码，特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接执行的指令。
字节码典型的应用为：Java bytecode

C、C++源程序执行过程

编译过程又可以分成两个阶段：编译和汇编。

编译过程：是读取源程序（字符流），对之进行词法和语法的分析，将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码
汇编过程：实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。

解释器

为什么要有解释器

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式由高级语言直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法（也就是产生了一个中间产品字节码）。
解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据PC寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

解释器的分类

在Java的发展历史里，一共有两套解释执行器，即古老的字节码解释器、现在普遍使用的模板解释器。
- 字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低下。
- 而模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中直接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大程度上提高了解释器的性能。
在HotSpot VM中，解释器主要由Interpreter模块和Code模块构成。
- Interpreter模块：实现了解释器的核心功能
- Code模块：用于管理HotSpot VM在运行时生成的本地机器指令

解释器的现状

由于解释器在设计和实现上非常简单，因此除了Java语言之外，还有许多高级语言同样也是基于解释器执行的，比如Python、Perl、Ruby等。但是在今天，基于解释器执行已经沦落为低效的代名词，并且时常被一些C/C++程序员所调侃。
为了解决这个问题，JVM平台支持一种叫作即时编译的技术。即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译成为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可，这种方式可以使执行效率大幅度提升。
不过无论如何，基于解释器的执行模式仍然为中间语言的发展做出了不可磨灭的贡献。

JIT编译器

Java 代码执行的分类

第一种是将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行
第二种是编译执行（直接编译成机器码）。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术（JIT，Just In Time）将方法编译成机器码后再执行
HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器能够相互协作，各自取长补短，尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。
在今天，Java程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++ 程序一较高下的地步。

为啥我们还需要解释器呢？

有些开发人员会感觉到诧异，既然HotSpot VM中已经内置JIT编译器了，那么为什么还需要再使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢？比如JRockit VM内部就不包含解释器，字节码全部都依靠即时编译器编译后执行。
JRockit虚拟机是砍掉了解释器，也就是只采及时编译器。那是因为呢JRockit只部署在服务器上，一般已经有时间让他进行指令编译的过程了，对于响应来说要求不高，等及时编译器的编译完成后，就会提供更好的性能

首先明确两点：

当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，响应速度快，省去编译的时间，立即执行。
编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间，但编译为本地代码后，执行效率高。

所以：

尽管JRockit VM中程序的执行性能会非常高效，但程序在启动时必然需要花费更长的时间来进行编译。对于服务端应用来说，启动时间并非是关注重点，但对于那些看中启动时间的应用场景而言，或许就需要采用解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。
在此模式下，在Java虚拟器启动时，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成后再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。随着时间的推移，编译器发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码，获得更高的执行效率。
同时，解释执行在编译器进行激进优化不成立的时候，作为编译器的“逃生门”（后备方案）。

案例

当虚拟机启动的时候，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。随着程序运行时间的推移，即时编译器逐渐发挥作用，根据热点探测功能，将有价值的字节码编译为本地机器指令，以换取更高的程序执行效率。

注意解释执行与编译执行在线上环境微妙的辩证关系。机器在热机状态（已经运行了一段时间叫热机状态）可以承受的负载要大于冷机状态（刚启动的时候叫冷机状态）。如果以热机状态时的流量进行切流，可能使处于冷机状态的服务器因无法承载流量而假死。
在生产环境发布过程中，以分批的方式进行发布，根据机器数量划分成多个批次，每个批次的机器数至多占到整个集群的1/8。曾经有这样的故障案例：某程序员在发布平台进行分批发布，在输入发布总批数时，误填写成分为两批发布。如果是热机状态，在正常情况下一半的机器可以勉强承载流量，但由于刚启动的JVM均是解释执行，还没有进行热点代码统计和JIT动态编译，导致机器启动之后，当前1/2发布成功的服务器马上全部宕机，此故障说明了JIT的存在。—阿里团队

public class JITTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add("让天下没有难学的技术");

            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

通过 JVisualVM 查看 JIT 编译器执行的编译次数

JIT编译器相关概念

Java 语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程，因为它可能是指一个前端编译器（其实叫“编译器的前端”更准确一些）把.java文件转变成.class文件的过程。
也可能是指虚拟机的后端运行期编译器（JIT编译器，Just In Time Compiler）把字节码转变成机器码的过程。
还可能是指使用静态提前编译器（AOT编译器，Ahead of Time Compiler）直接把.java文件编译成本地机器代码的过程。（可能是后续发展的趋势）

典型的编译器：

前端编译器：Sun的javac、Eclipse JDT中的增量式编译器（ECJ）。
JIT编译器：HotSpot VM的C1、C2编译器。
AOT 编译器：GNU Compiler for the Java（GCJ）、Excelsior JET。

热点代码及探测方式

当然是否需要启动JIT编译器将字节码直接编译为对应平台的本地机器指令，则需要根据代码被调用执行的频率而定。
关于那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称之为**“热点代码”，JIT编译器在运行时会针对那些频繁被调用的“热点代码”做出深度优化**，将其直接编译为对应平台的本地机器指令，以此提升Java程序的执行性能。
一个被多次调用的方法，或者是一-个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称之为“热点代码”，因此都可以通过JIT编译器编译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此也被称之为栈上替换，或简称为OSR (On StackReplacement)编译。
一个方法究竟要被调用多少次，或者一个循环体究竟需要执行多少次循环才可以达到这个标准？必然需要一个明确的阈值，JIT编译器才会将这些“热点代码”编译为本地机器指令执行。这里主要依靠热点探测功能。
目前HotSpot VM所采用的热点探测方式是基于计数器的热点探测。
采用基于计数器的热点探测，HotSpot VM将会为每一个方法都建立2个不同类型的计数器，分别为方法调用计数器（Invocation Counter）和回边计数器（Back Edge Counter）。
1. 方法调用计数器用于统计方法的调用次数
2. 回边计数器则用于统计循环体执行的循环次数

方法调用计数器

这个计数器就用于统计方法被调用的次数，它的默认阀值在Client模式下是1500次，在Server模式下是10000次。超过这个阈值，就会触发JIT编译。
这个阀值可以通过虚拟机参数 -XX:CompileThreshold 来人为设定。
当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被JIT编译过的版本
- 如果存在，则优先使用编译后的本地代码来执行
- 如果不存在已被编译过的版本，则将此方法的调用计数器值加1，然后判断方法调用计数器与回边计数器值之和是否超过方法调用计数器的阀值。
  - 如果已超过阈值，那么将会向即时编译器提交一个该方法的代码编译请求。
  - 如果未超过阈值，则使用解释器对字节码文件解释执行

热度衰减

如果不做任何设置，方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率，即一段时间之内方法被调用的次数。当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为方法调用计数器热度的衰减（Counter Decay），而这段时间就称为此方法统计的半衰周期（Counter Half Life Time）（半衰周期是化学中的概念，比如出土的文物通过查看C60来获得文物的年龄）
进行热度衰减的动作是在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的，可以使用虚拟机参数 -XX:-UseCounterDecay 来关闭热度衰减，让方法计数器统计方法调用的绝对次数，这样的话，只要系统运行时间足够长，绝大部分方法都会被编译成本地代码。
另外，可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

回边计数器

它的作用是统计一个方法中循环体代码执行的次数，在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为“回边”（Back Edge）。显然，建立回边计数器统计的目的就是为了触发OSR编译。

HotSpotVM可以设置程序执行方法

缺省情况下HotSpot VM是采用解释器与即时编译器并存的架构，当然开发人员可以根据具体的应用场景，通过命令显式地为Java虚拟机指定在运行时到底是完全采用解释器执行，还是完全采用即时编译器执行。如下所示：

-Xint：完全采用解释器模式执行程序；
-Xcomp：完全采用即时编译器模式执行程序。如果即时编译出现问题，解释器会介入执行
-Xmixed：采用解释器+即时编译器的混合模式共同执行程序。

代码测试

/**
 * 测试解释器模式和JIT编译模式
 *  -Xint  : 6520ms
 *  -Xcomp : 950ms
 *  -Xmixed : 936ms
 */
public class IntCompTest {
    public static void main(String[] args) {

        long start = System.currentTimeMillis();

        testPrimeNumber(1000000);

        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));

    }

    public static void testPrimeNumber(int count){
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            //计算100以内的质数
            label:for(int j = 2;j <= 100;j++){
                for(int k = 2;k <= Math.sqrt(j);k++){
                    if(j % k == 0){
                        continue label;
                    }
                }
                //System.out.println(j);
            }

        }
    }
}

结论：只用解释器执行是真的慢

HotSpotVM JIT 分类

在HotSpot VM中内嵌有两个JIT编译器，分别为Client Compiler和Server Compiler，但大多数情况下我们简称为C1编译器和 C2编译器。开发人员可以通过如下命令显式指定Java虚拟机在运行时到底使用哪一种即时编译器，如下所示：

-client：指定Java虚拟机运行在Client模式下，并使用C1编译器；
- C1编译器会对字节码进行简单和可靠的优化，耗时短，以达到更快的编译速度。
-server：指定Java虚拟机运行在server模式下，并使用C2编译器。
- C2进行耗时较长的优化，以及激进优化，但优化的代码执行效率更高。（使用C++）

C1和C2编译器不同的优化策略

在不同的编译器上有不同的优化策略，C1编译器上主要有方法内联，去虚拟化、元余消除。
- 方法内联：将引用的函数代码编译到引用点处，这样可以减少栈帧的生成，减少参数传递以及跳转过程
- 去虚拟化：对唯一的实现樊进行内联
- 冗余消除：在运行期间把一些不会执行的代码折叠掉
C2的优化主要是在全局层面，逃逸分析是优化的基础。基于逃逸分析在C2上有如下几种优化：
- 标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值
- 栈上分配：对于未逃逸的对象分配对象在栈而不是堆
- 同步消除：清除同步操作，通常指synchronized

也就是说之前的逃逸分析，只有在C2（server模式下）才会触发。那是否说明C1就用不了了？

分层编译策略

分层编译（Tiered Compilation）策略：程序解释执行（不开启性能监控）可以触发C1编译，将字节码编译成机器码，可以进行简单优化，也可以加上性能监控，C2编译会根据性能监控信息进行激进优化。
不过在Java7版本之后，一旦开发人员在程序中显式指定命令“-server"时，默认将会开启分层编译策略，由C1编译器和C2编译器相互协作共同来执行编译任务。
一般来讲，JIT编译出来的机器码性能比解释器解释执行的性能高
C2编译器启动时长比C1慢，系统稳定执行以后，C2编译器执行速度远快于C1编译器

Graal 编译器

自JDK10起，HotSpot又加入了一个全新的即时编译器：Graal编译器
编译效果短短几年时间就追平了G2编译器，未来可期（对应还出现了Graal虚拟机，是有可能替代Hotspot的虚拟机的）
目前，带着实验状态标签，需要使用开关参数去激活才能使用 -XX:+UnlockExperimentalvMOptions -XX:+UseJVMCICompiler

AOT编译器

jdk9引入了AoT编译器（静态提前编译器，Ahead of Time Compiler）
Java 9引入了实验性AOT编译工具jaotc。它借助了Graal编译器，将所输入的Java类文件转换为机器码，并存放至生成的动态共享库之中。
所谓AOT编译，是与即时编译相对立的一个概念。我们知道，即时编译指的是在程序的运行过程中，将字节码转换为可在硬件上直接运行的机器码，并部署至托管环境中的过程。而AOT编译指的则是，在程序运行之前，便将字节码转换为机器码的过程。 .java -> .class -> (使用jaotc) -> .so

AOT编译器编译器的优缺点

最大的好处：

Java虚拟机加载已经预编译成二进制库，可以直接执行。
不必等待即时编译器的预热，减少Java应用给人带来“第一次运行慢” 的不良体验

缺点：

破坏了 java “ 一次编译，到处运行”，必须为每个不同的硬件，OS编译对应的发行包
降低了Java链接过程的动态性，加载的代码在编译器就必须全部已知。
还需要继续优化中，最初只支持Linux X64 java base

title: JVM系列-第9章-StringTable(字符串常量池) tags:

JVM
虚拟机 categories:
JVM
1.内存与垃圾回收篇 keywords: JVM，虚拟机。 description: JVM系列-第9章-StringTable(字符串常量池)。 cover: ‘https://cdn.jsdelivr.net/gh/youthlql/lql_img/JVM/logo.png’ top_img: ‘https://cdn.jsdelivr.net/gh/youthlql/lql_img/blog/top_img.jpg’ abbrlink: ee2ba71e date: 2020-11-16 12:38:02

StringTable（字符串常量池）

String的基本特性

String：字符串，使用一对 “” 引起来表示

  String s1 = "atguigu" ;   			// 字面量的定义方式
  String s2 =  new String("hello");     // new 对象的方式

String被声明为final的，不可被继承
String实现了Serializable接口：表示字符串是支持序列化的。实现了Comparable接口：表示String可以比较大小
String在jdk8及以前内部定义了final char value[]用于存储字符串数据。JDK9时改为byte[]

为什么 JDK9 改变了 String 的结构

官方文档：http://openjdk.java.net/jeps/254

为什么改为 byte[] 存储？

String类的当前实现将字符存储在char数组中，每个字符使用两个字节(16位)。
从许多不同的应用程序收集的数据表明，字符串是堆使用的主要组成部分，而且大多数字符串对象只包含拉丁字符（Latin-1）。这些字符只需要一个字节的存储空间，因此这些字符串对象的内部char数组中有一半的空间将不会使用，产生了大量浪费。
之前 String 类使用 UTF-16 的 char[] 数组存储，现在改为 byte[] 数组外加一个编码标识存储。该编码表示如果你的字符是ISO-8859-1或者Latin-1，那么只需要一个字节存。如果你是其它字符集，比如UTF-8，你仍然用两个字节存
结论：String再也不用char[] 来存储了，改成了byte [] 加上编码标记，节约了一些空间
同时基于String的数据结构，例如StringBuffer和StringBuilder也同样做了修改

// 之前
private final char value[];
// 之后
private final byte[] value

String 的基本特性

String：代表不可变的字符序列。简称：不可变性。

当对字符串重新赋值时，需要重写指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。
当对现有的字符串进行连接操作时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。
当调用String的replace()方法修改指定字符或字符串时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。

通过字面量的方式（区别于new）给一个字符串赋值，此时的字符串值声明在字符串常量池中。

当对字符串重新赋值时，需要重写指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值

代码

	@Test
    public void test1() {
        String s1 = "abc";//字面量定义的方式，"abc"存储在字符串常量池中
        String s2 = "abc";
        s1 = "hello";

        System.out.println(s1 == s2);//判断地址：true  --> false

        System.out.println(s1);//
        System.out.println(s2);//abc

    }

字节码指令

取字符串 “abc” 时，使用的是同一个符号引用：#2
取字符串 “hello” 时，使用的是另一个符号引用：#3

当对现有的字符串进行连接操作时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值

	@Test
    public void test2() {
        String s1 = "abc";
        String s2 = "abc";
        s2 += "def";
        System.out.println(s2);//abcdef
        System.out.println(s1);//abc
    }

当调用string的replace()方法修改指定字符或字符串时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值

@Test
public void test3() {
    String s1 = "abc";
    String s2 = s1.replace('a', 'm');
    System.out.println(s1);//abc
    System.out.println(s2);//mbc
}

一道笔试题

public class StringExer {
    String str = new String("good");
    char[] ch = {'t', 'e', 's', 't'};

    public void change(String str, char ch[]) {
        str = "test ok";
        ch[0] = 'b';
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringExer ex = new StringExer();
        ex.change(ex.str, ex.ch);
        System.out.println(ex.str);//good
        System.out.println(ex.ch);//best
    }

}

str 的内容并没有变：“test ok” 位于字符串常量池中的另一个区域（地址），进行赋值操作并没有修改原来 str 指向的引用的内容

String 的底层结构

字符串常量池是不会存储相同内容的字符串的

String的String Pool（字符串常量池）是一个固定大小的Hashtable，默认值大小长度是1009。如果放进String Pool的String非常多，就会造成Hash冲突严重，从而导致链表会很长，而链表长了后直接会造成的影响就是当调用String.intern()方法时性能会大幅下降。
使用-XX:StringTablesize可设置StringTable的长度
在JDK6中StringTable是固定的，就是1009的长度，所以如果常量池中的字符串过多就会导致效率下降很快，StringTablesize设置没有要求
在JDK7中，StringTable的长度默认值是60013，StringTablesize设置没有要求
在JDK8中，StringTable的长度默认值是60013，StringTable可以设置的最小值为1009

测试不同 StringTable 长度下，程序的性能

代码

/**
 * 产生10万个长度不超过10的字符串，包含a-z,A-Z
 */
public class GenerateString {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileWriter fw =  new FileWriter("words.txt");

        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            //1 - 10
           int length = (int)(Math.random() * (10 - 1 + 1) + 1);
            fw.write(getString(length) + "\n");
        }

        fw.close();
    }

    public static String getString(int length){
        String str = "";
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            //65 - 90, 97-122
            int num = (int)(Math.random() * (90 - 65 + 1) + 65) + (int)(Math.random() * 2) * 32;
            str += (char)num;
        }
        return str;
    }
}

public class StringTest2 {
    public static void main(String[] args) {

        BufferedReader br = null;
        try {
            br = new BufferedReader(new FileReader("words.txt"));
            long start = System.currentTimeMillis();
            String data;
            while((data = br.readLine()) != null){
                data.intern(); //如果字符串常量池中没有对应data的字符串的话，则在常量池中生成
            }

            long end = System.currentTimeMillis();

            System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));//1009:143ms  100009:47ms
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(br != null){
                try {
                    br.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }
    }
}

-XX:StringTableSize=1009 ：程序耗时 143ms
-XX:StringTableSize=100009 ：程序耗时 47ms

String 的内存分配

在Java语言中有8种基本数据类型和一种比较特殊的类型String。这些类型为了使它们在运行过程中速度更快、更节省内存，都提供了一种常量池的概念。
常量池就类似一个Java系统级别提供的缓存。8种基本数据类型的常量池都是系统协调的，String类型的常量池比较特殊。它的主要使用方法有两种。
- 直接使用双引号声明出来的String对象会直接存储在常量池中。比如：String info="atguigu.com";
- 如果不是用双引号声明的String对象，可以使用String提供的intern()方法。这个后面重点谈
Java 6及以前，字符串常量池存放在永久代
Java 7中 Oracle的工程师对字符串池的逻辑做了很大的改变，即将字符串常量池的位置调整到Java堆内
- 所有的字符串都保存在堆（Heap）中，和其他普通对象一样，这样可以让你在进行调优应用时仅需要调整堆大小就可以了。
- 字符串常量池概念原本使用得比较多，但是这个改动使得我们有足够的理由让我们重新考虑在Java 7中使用String.intern()。
Java8元空间，字符串常量在堆

StringTable 为什么要调整？

官方文档:https://www.oracle.com/java/technologies/javase/jdk7-relnotes.html#jdk7changes

为什么要调整位置？
- 永久代的默认空间大小比较小
- 永久代垃圾回收频率低，大量的字符串无法及时回收，容易进行Full GC产生STW或者容易产生OOM：PermGen Space
- 堆中空间足够大，字符串可被及时回收
在JDK 7中，interned字符串不再在Java堆的永久代中分配，而是在Java堆的主要部分（称为年轻代和年老代）中分配，与应用程序创建的其他对象一起分配。
此更改将导致驻留在主Java堆中的数据更多，驻留在永久生成中的数据更少，因此可能需要调整堆大小。

代码示例

/**
 * jdk6中：
 * -XX:PermSize=6m -XX:MaxPermSize=6m -Xms6m -Xmx6m
 *
 * jdk8中：
 * -XX:MetaspaceSize=6m -XX:MaxMetaspaceSize=6m -Xms6m -Xmx6m
 */
public class StringTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        //使用Set保持着常量池引用，避免full gc回收常量池行为
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        //在short可以取值的范围内足以让6MB的PermSize或heap产生OOM了。
        short i = 0;
        while(true){
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

输出结果：我真没骗你，字符串真的在堆中（JDK8）

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.HashMap.resize(HashMap.java:703)
	at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:662)
	at java.util.HashMap.put(HashMap.java:611)
	at java.util.HashSet.add(HashSet.java:219)
	at com.atguigu.java.StringTest3.main(StringTest3.java:22)

Process finished with exit code 1

String 的基本操作

Java语言规范里要求完全相同的字符串字面量，应该包含同样的Unicode字符序列（包含同一份码点序列的常量），并且必须是指向同一个String类实例。

举例1

public class StringTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println();//2293
        System.out.println("1");//2294
        System.out.println("2");
        System.out.println("3");
        System.out.println("4");
        System.out.println("5");
        System.out.println("6");
        System.out.println("7");
        System.out.println("8");
        System.out.println("9");
        System.out.println("10");//2303
        //如下的字符串"1" 到 "10"不会再次加载
        System.out.println("1");//2304
        System.out.println("2");//2304
        System.out.println("3");
        System.out.println("4");
        System.out.println("5");
        System.out.println("6");
        System.out.println("7");
        System.out.println("8");
        System.out.println("9");
        System.out.println("10");//2304
    }
}

分析字符串常量池的变化

1、程序启动时已经加载了 2293 个字符串常量

2、加载了一个换行符（println），所以多了一个

3、加载了字符串常量 “1”~“9”

4、加载字符串常量 “10”

5、之后的字符串"1" 到 "10"不会再次加载

举例2

//官方示例代码
class Memory {
    public static void main(String[] args) {//line 1
        int i = 1;//line 2
        Object obj = new Object();//line 3
        Memory mem = new Memory();//line 4
        mem.foo(obj);//line 5
    }//line 9

    private void foo(Object param) {//line 6
        String str = param.toString();//line 7
        System.out.println(str);
    }//line 8
}

分析运行时内存（foo() 方法是实例方法，其实图中少了一个 this 局部变量）

字符串拼接操作

先说结论

常量与常量的拼接结果在常量池，原理是编译期优化
常量池中不会存在相同内容的变量
拼接前后，只要其中有一个是变量，结果就在堆中。变量拼接的原理是StringBuilder
如果拼接的结果调用intern()方法，根据该字符串是否在常量池中存在，分为：
- 如果存在，则返回字符串在常量池中的地址
- 如果字符串常量池中不存在该字符串，则在常量池中创建一份，并返回此对象的地址

1、常量与常量的拼接结果在常量池，原理是编译期优化

代码

@Test
    public void test1(){
        String s1 = "a" + "b" + "c";//编译期优化：等同于"abc"
        String s2 = "abc"; //"abc"一定是放在字符串常量池中，将此地址赋给s2
        /*
         * 最终.java编译成.class,再执行.class
         * String s1 = "abc";
         * String s2 = "abc"
         */
        System.out.println(s1 == s2); //true
        System.out.println(s1.equals(s2)); //true
    }

从字节码指令看出：编译器做了优化，将 “a” + “b” + “c” 优化成了 “abc”

0 ldc #2 <abc>
2 astore_1
3 ldc #2 <abc>
5 astore_2
6 getstatic #3 <java/lang/System.out>
9 aload_1
10 aload_2
11 if_acmpne 18 (+7)
14 iconst_1
15 goto 19 (+4)
18 iconst_0
19 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
22 getstatic #3 <java/lang/System.out>
25 aload_1
26 aload_2
27 invokevirtual #5 <java/lang/String.equals>
30 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
33 return

IDEA 反编译 class 文件后，来看这个问题

2、拼接前后，只要其中有一个是变量，结果就在堆中

调用 intern() 方法，则主动将字符串对象存入字符串常量池中，并将其地址返回

@Test
    public void test2(){
        String s1 = "javaEE";
        String s2 = "hadoop";

        String s3 = "javaEEhadoop";
        String s4 = "javaEE" + "hadoop";//编译期优化
        //如果拼接符号的前后出现了变量，则相当于在堆空间中new String()，具体的内容为拼接的结果：javaEEhadoop
        String s5 = s1 + "hadoop";
        String s6 = "javaEE" + s2;
        String s7 = s1 + s2;

        System.out.println(s3 == s4);//true
        System.out.println(s3 == s5);//false
        System.out.println(s3 == s6);//false
        System.out.println(s3 == s7);//false
        System.out.println(s5 == s6);//false
        System.out.println(s5 == s7);//false
        System.out.println(s6 == s7);//false
        //intern():判断字符串常量池中是否存在javaEEhadoop值，如果存在，则返回常量池中javaEEhadoop的地址；
        //如果字符串常量池中不存在javaEEhadoop，则在常量池中加载一份javaEEhadoop，并返回次对象的地址。
        String s8 = s6.intern();
        System.out.println(s3 == s8);//true
    }

从字节码角度来看：拼接前后有变量，都会使用到 StringBuilder 类

0 ldc #6 <javaEE>
2 astore_1
3 ldc #7 <hadoop>
5 astore_2
6 ldc #8 <javaEEhadoop>
8 astore_3
9 ldc #8 <javaEEhadoop>
11 astore 4
13 new #9 <java/lang/StringBuilder>
16 dup
17 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
20 aload_1
21 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
24 ldc #7 <hadoop>
26 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
29 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
32 astore 5
34 new #9 <java/lang/StringBuilder>
37 dup
38 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
41 ldc #6 <javaEE>
43 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
46 aload_2
47 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
50 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
53 astore 6
55 new #9 <java/lang/StringBuilder>
58 dup
59 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
62 aload_1
63 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
66 aload_2
67 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
70 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
73 astore 7
75 getstatic #3 <java/lang/System.out>
78 aload_3
79 aload 4
81 if_acmpne 88 (+7)
84 iconst_1
85 goto 89 (+4)
88 iconst_0
89 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
92 getstatic #3 <java/lang/System.out>
95 aload_3
96 aload 5
98 if_acmpne 105 (+7)
101 iconst_1
102 goto 106 (+4)
105 iconst_0
106 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
109 getstatic #3 <java/lang/System.out>
112 aload_3
113 aload 6
115 if_acmpne 122 (+7)
118 iconst_1
119 goto 123 (+4)
122 iconst_0
123 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
126 getstatic #3 <java/lang/System.out>
129 aload_3
130 aload 7
132 if_acmpne 139 (+7)
135 iconst_1
136 goto 140 (+4)
139 iconst_0
140 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
143 getstatic #3 <java/lang/System.out>
146 aload 5
148 aload 6
150 if_acmpne 157 (+7)
153 iconst_1
154 goto 158 (+4)
157 iconst_0
158 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
161 getstatic #3 <java/lang/System.out>
164 aload 5
166 aload 7
168 if_acmpne 175 (+7)
171 iconst_1
172 goto 176 (+4)
175 iconst_0
176 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
179 getstatic #3 <java/lang/System.out>
182 aload 6
184 aload 7
186 if_acmpne 193 (+7)
189 iconst_1
190 goto 194 (+4)
193 iconst_0
194 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
197 aload 6
199 invokevirtual #13 <java/lang/String.intern>
202 astore 8
204 getstatic #3 <java/lang/System.out>
207 aload_3
208 aload 8
210 if_acmpne 217 (+7)
213 iconst_1
214 goto 218 (+4)
217 iconst_0
218 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
221 return

字符串拼接的底层细节

举例1

    @Test
    public void test3(){
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        /*
        如下的s1 + s2 的执行细节：(变量s是我临时定义的）
        ① StringBuilder s = new StringBuilder();
        ② s.append("a")
        ③ s.append("b")
        ④ s.toString()  --> 约等于 new String("ab")，但不等价

        补充：在jdk5.0之后使用的是StringBuilder,在jdk5.0之前使用的是StringBuffer
         */
        String s4 = s1 + s2;//
        System.out.println(s3 == s4);//false
    }

字节码指令

0 ldc #14 <a>
2 astore_1
3 ldc #15 <b>
5 astore_2
6 ldc #16 <ab>
8 astore_3
9 new #9 <java/lang/StringBuilder>
12 dup
13 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
16 aload_1
17 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
20 aload_2
21 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
24 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
27 astore 4
29 getstatic #3 <java/lang/System.out>
32 aload_3
33 aload 4
35 if_acmpne 42 (+7)
38 iconst_1
39 goto 43 (+4)
42 iconst_0
43 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
46 return

举例2

/*
    1. 字符串拼接操作不一定使用的是StringBuilder!
       如果拼接符号左右两边都是字符串常量或常量引用，则仍然使用编译期优化，即非StringBuilder的方式。
    2. 针对于final修饰类、方法、基本数据类型、引用数据类型的量的结构时，能使用上final的时候建议使用上。
     */
    @Test
    public void test4(){
        final String s1 = "a";
        final String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4 = s1 + s2;
        System.out.println(s3 == s4);//true
    }

从字节码角度来看：为变量 s4 赋值时，直接使用 #16 符号引用，即字符串常量 “ab”

0 ldc #14 <a>
2 astore_1
3 ldc #15 <b>
5 astore_2
6 ldc #16 <ab>
8 astore_3
9 ldc #16 <ab>
11 astore 4
13 getstatic #3 <java/lang/System.out>
16 aload_3
17 aload 4
19 if_acmpne 26 (+7)
22 iconst_1
23 goto 27 (+4)
26 iconst_0
27 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
30 return

拼接操作与 append 操作的效率对比

    @Test
    public void test6(){

        long start = System.currentTimeMillis();

//        method1(100000);//4014
        method2(100000);//7

        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));
    }

    public void method1(int highLevel){
        String src = "";
        for(int i = 0;i < highLevel;i++){
            src = src + "a";//每次循环都会创建一个StringBuilder、String
        }
//        System.out.println(src);

    }

    public void method2(int highLevel){
        //只需要创建一个StringBuilder
        StringBuilder src = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < highLevel; i++) {
            src.append("a");
        }
//        System.out.println(src);
    }

体会执行效率：通过StringBuilder的append()的方式添加字符串的效率要远高于使用String的字符串拼接方式！
原因：
1. StringBuilder的append()的方式：
  - 自始至终中只创建过一个StringBuilder的对象
2. 使用String的字符串拼接方式：
  - 创建过多个StringBuilder和String（调的toString方法）的对象，内存占用更大；
  - 如果进行GC，需要花费额外的时间（在拼接的过程中产生的一些中间字符串可能永远也用不到，会产生大量垃圾字符串）。
改进的空间：
- 在实际开发中，如果基本确定要前前后后添加的字符串长度不高于某个限定值highLevel的情况下，建议使用构造器实例化：
- StringBuilder s = new StringBuilder(highLevel); //new char[highLevel]
- 这样可以避免频繁扩容

intern() 的使用

intern() 方法的说明

public native String intern();

intern是一个native方法，调用的是底层C的方法
字符串常量池池最初是空的，由String类私有地维护。在调用intern方法时，如果池中已经包含了由equals(object)方法确定的与该字符串内容相等的字符串，则返回池中的字符串地址。否则，该字符串对象将被添加到池中，并返回对该字符串对象的地址。（这是源码里的大概翻译）
如果不是用双引号声明的String对象，可以使用String提供的intern方法：intern方法会从字符串常量池中查询当前字符串是否存在，若不存在就会将当前字符串放入常量池中。比如：

String myInfo = new string("I love atguigu").intern();

也就是说，如果在任意字符串上调用String.intern方法，那么其返回结果所指向的那个类实例，必须和直接以常量形式出现的字符串实例完全相同。因此，下列表达式的值必定是true

("a"+"b"+"c").intern()=="abc"

通俗点讲，Interned String就是确保字符串在内存里只有一份拷贝，这样可以节约内存空间，加快字符串操作任务的执行速度。注意，这个值会被存放在字符串内部池（String Intern Pool）

new String() 的说明

new String(“ab”)会创建几个对象？

/**
 * 题目：
 * new String("ab")会创建几个对象？看字节码，就知道是两个。
 *     一个对象是：new关键字在堆空间创建的
 *     另一个对象是：字符串常量池中的对象"ab"。 字节码指令：ldc
 *
 */
public class StringNewTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("ab");
    }
}

字节码指令

0 new #2 <java/lang/String>
3 dup
4 ldc #3 <ab>
6 invokespecial #4 <java/lang/String.<init>>
9 astore_1
10 return

0 new #2 <java/lang/String>：在堆中创建了一个 String 对象

4 ldc #3 <ab> ：在字符串常量池中放入 “ab”（如果之前字符串常量池中没有 “ab” 的话）

new String(“a”) + new String(“b”) 会创建几个对象？

代码

/**
 * 思考：
 * new String("a") + new String("b")呢？
 *  对象1：new StringBuilder()
 *  对象2： new String("a")
 *  对象3： 常量池中的"a"
 *  对象4： new String("b")
 *  对象5： 常量池中的"b"
 *
 *  深入剖析： StringBuilder的toString():
 *      对象6 ：new String("ab")
 *       强调一下，toString()的调用，在字符串常量池中，没有生成"ab"
 *
 */
public class StringNewTest {
    public static void main(String[] args) {

        String str = new String("a") + new String("b");
    }
}

字节码指令

0 new #2 <java/lang/StringBuilder>
3 dup
4 invokespecial #3 <java/lang/StringBuilder.<init>>
7 new #4 <java/lang/String>
10 dup
11 ldc #5 <a>
13 invokespecial #6 <java/lang/String.<init>>
16 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append>
19 new #4 <java/lang/String>
22 dup
23 ldc #8 <b>
25 invokespecial #6 <java/lang/String.<init>>
28 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append>
31 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.toString>
34 astore_1
35 return

答案是4个或5个或6个

字节码指令分析：

0 new #2 <java/lang/StringBuilder> ：拼接字符串会创建一个 StringBuilder 对象
7 new #4 <java/lang/String> ：创建 String 对象，对应于 new String(“a”)
11 ldc #5 <a> ：在字符串常量池中放入 “a”（如果之前字符串常量池中没有 “a” 的话）
19 new #4 <java/lang/String> ：创建 String 对象，对应于 new String(“b”)
23 ldc #8 <b> ：在字符串常量池中放入 “b”（如果之前字符串常量池中没有 “b” 的话）
31 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.toString> ：调用 StringBuilder 的 toString() 方法，会生成一个 String 对象

有点难的面试题

有点难的面试题

**
 * 如何保证变量s指向的是字符串常量池中的数据呢？
 * 有两种方式：
 * 方式一： String s = "shkstart";//字面量定义的方式
 * 方式二： 调用intern()
 *         String s = new String("shkstart").intern();
 *         String s = new StringBuilder("shkstart").toString().intern();
 *
 */
public class 	StringIntern {
    public static void main(String[] args) {

        String s = new String("1");
        s.intern();//调用此方法之前，字符串常量池中已经存在了"1"
        String s2 = "1";
        System.out.println(s == s2);//jdk6：false   jdk7/8：false
        
        /*
         1、s3变量记录的地址为：new String("11")
         2、经过上面的分析，我们已经知道执行完pos_1的代码，在堆中有了一个new String("11")
         这样的String对象。但是在字符串常量池中没有"11"
         3、接着执行s3.intern()，在字符串常量池中生成"11"
           3-1、在JDK6的版本中，字符串常量池还在永久代，所以直接在永久代生成"11",也就有了新的地址
           3-2、而在JDK7的后续版本中，字符串常量池被移动到了堆中，此时堆里已经有new String（"11"）了
           出于节省空间的目的，直接将堆中的那个字符串的引用地址储存在字符串常量池中。没错，字符串常量池
           中存的是new String（"11"）在堆中的地址
         4、所以在JDK7后续版本中，s3和s4指向的完全是同一个地址。
         */
        String s3 = new String("1") + new String("1");//pos_1
	    s3.intern();
        
        String s4 = "11";//s4变量记录的地址：使用的是上一行代码代码执行时，在常量池中生成的"11"的地址
        System.out.println(s3 == s4);//jdk6：false  jdk7/8：true
    }


}

解释的已经比较清楚了，下面看一下内存图

内存分析

JDK6 ：正常眼光判断即可

new String() 即在堆中
str.intern() 则把字符串放入常量池中

JDK7及后续版本，注意大坑

面试题的拓展

/**
 * StringIntern.java中练习的拓展：
 *
 */
public class StringIntern1 {
    public static void main(String[] args) {
        //执行完下一行代码以后，字符串常量池中，是否存在"11"呢？答案：不存在！！
        String s3 = new String("1") + new String("1");//new String("11")
        //在字符串常量池中生成对象"11"，代码顺序换一下，实打实的在字符串常量池里有一个"11"对象
        String s4 = "11";  
        String s5 = s3.intern();

        // s3 是堆中的 "ab" ，s4 是字符串常量池中的 "ab"
        System.out.println(s3 == s4);//false

        // s5 是从字符串常量池中取回来的引用，当然和 s4 相等
        System.out.println(s5 == s4);//true
    }
}

intern() 方法的练习

练习 1

public class StringExer1 {
    public static void main(String[] args) {
        String x = "ab";
        String s = new String("a") + new String("b");//new String("ab")
        //在上一行代码执行完以后，字符串常量池中并没有"ab"
		/*
		1、jdk6中：在字符串常量池（此时在永久代）中创建一个字符串"ab"
        2、jdk8中：字符串常量池（此时在堆中）中没有创建字符串"ab",而是创建一个引用，指向new String("ab")，		  将此引用返回
        3、详解看上面
		*/
        String s2 = s.intern();

        System.out.println(s2 == "ab");//jdk6:true  jdk8:true
        System.out.println(s == "ab");//jdk6:false  jdk8:true
    }
}

JDK6

JDK7/8

练习2

public class StringExer1 {
    public static void main(String[] args) {
        //加一行这个
        String x = "ab";
        String s = new String("a") + new String("b");//new String("ab")

        String s2 = s.intern();

        System.out.println(s2 == "ab");//jdk6:true  jdk8:true
        System.out.println(s == "ab");//jdk6:false  jdk8:true
    }
}

练习3

public class StringExer2 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("ab");//执行完以后，会在字符串常量池中会生成"ab"

        s1.intern();
        String s2 = "ab";
        System.out.println(s1 == s2);//false
    }
}

验证

public class StringExer2 {
    // 对象内存地址可以使用System.identityHashCode(object)方法获取
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("a") + new String("b");//执行完以后，不会在字符串常量池中会生成"ab"
        System.out.println(System.identityHashCode(s1));
        s1.intern();
        System.out.println(System.identityHashCode(s1));
        String s2 = "ab";
        System.out.println(System.identityHashCode(s2));
        System.out.println(s1 == s2); // true
    }
}

输出结果：

intern() 的效率测试（空间角度）

/**
 * 使用intern()测试执行效率：空间使用上
 *
 * 结论：对于程序中大量存在存在的字符串，尤其其中存在很多重复字符串时，使用intern()可以节省内存空间。
 *
 */
public class StringIntern2 {
    static final int MAX_COUNT = 1000 * 10000;
    static final String[] arr = new String[MAX_COUNT];

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] data = new Integer[]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {
//            arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length]));
            arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length])).intern();

        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));

        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.gc();
    }
}

1、直接 new String ：由于每个 String 对象都是 new 出来的，所以程序需要维护大量存放在堆空间中的 String 实例，程序内存占用也会变高

arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length]));

2、使用 intern() 方法：由于数组中字符串的引用都指向字符串常量池中的字符串，所以程序需要维护的 String 对象更少，内存占用也更低

//调用了intern()方法使用了字符串常量池里的字符串，那么前面堆里的字符串便会被GC掉，这也是intern省内存的关键原因
arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length])).intern();

结论：

对于程序中大量使用存在的字符串时，尤其存在很多已经重复的字符串时，使用intern()方法能够节省很大的内存空间。
大的网站平台，需要内存中存储大量的字符串。比如社交网站，很多人都存储：北京市、海淀区等信息。这时候如果字符串都调用intern() 方法，就会很明显降低内存的大小。

StringTable 的垃圾回收

/**
 * String的垃圾回收:
 * -Xms15m -Xmx15m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails
 */
public class StringGCTest {
    public static void main(String[] args) {
        for (int j = 0; j < 100000; j++) {
            String.valueOf(j).intern();
        }
    }
}

输出结果：

在 PSYoungGen 区发生了垃圾回收
Number of entries 和 Number of literals 明显没有 100000
以上两点均说明 StringTable 区发生了垃圾回收

G1 中的 String 去重操作

官方文档：http://openjdk.java.net/jeps/192

暂时了解一下，后面会详解垃圾回收器

String去重操作的背景

注意不是字符串常量池的去重操作，字符串常量池本身就没有重复的

背景：对许多Java应用（有大的也有小的）做的测试得出以下结果：
- 堆存活数据集合里面String对象占了25%
- 堆存活数据集合里面重复的String对象有13.5%
- String对象的平均长度是45
许多大规模的Java应用的瓶颈在于内存，测试表明，在这些类型的应用里面，Java堆中存活的数据集合差不多25%是String对象。更进一步，这里面差不多一半String对象是重复的，重复的意思是说：str1.equals(str2)= true。堆上存在重复的String对象必然是一种内存的浪费。这个项目将在G1垃圾收集器中实现自动持续对重复的String对象进行去重，这样就能避免浪费内存。

String 去重的的实现

当垃圾收集器工作的时候，会访问堆上存活的对象。对每一个访问的对象都会检查是否是候选的要去重的String对象。
如果是，把这个对象的一个引用插入到队列中等待后续的处理。一个去重的线程在后台运行，处理这个队列。处理队列的一个元素意味着从队列删除这个元素，然后尝试去重它引用的String对象。
使用一个Hashtable来记录所有的被String对象使用的不重复的char数组。当去重的时候，会查这个Hashtable，来看堆上是否已经存在一个一模一样的char数组。
如果存在，String对象会被调整引用那个数组，释放对原来的数组的引用，最终会被垃圾收集器回收掉。
如果查找失败，char数组会被插入到Hashtable，这样以后的时候就可以共享这个数组了。

命令行选项