JVM

Java从编码到执行

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Java是一种编译与解释都有的编程语言，其中大部分的代码时通过编译为字节码执行的，而一些特定的次数较多的代码将使用JIT做本地编译，直接交给操作系统调用。

编译器可以修改编译模式，共三种：

1. -Xint，纯解释模式，编译极快，启动较慢

2. -Comp，纯编译模式，编译很慢，启动很快

3. -Xmixed，混合模，开始解释执行，启动速度较快，对热点代码实时检测和编译

   1. 多次被调用的方法

   2. 多次被调用的循环

什么是JVM

JVM是一种跨语言的平台，是一种规范。可以在JVM上运行的语言多大一百多种。JVM本身不是跨平台的，每种操作系统都有对应的实现。只要编程语言可以编译为class文件，就可以运行在JVM中。

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可以使用 java -version 命令查看当前使用的jvm类型，目前市面上主要的集中jvm实现有：

• Hotspot，Oracle官方提供

• Jrockit，BEA公司，曾号称最快的JVM，现被Oracle收购，合并到Hotspot中

• J9，IBM公司

• Microsoft VM

• TaobaoVM

• LiquidVM，普通虚拟机运行于操作系统上，而LiquidVM直接运行在物理机上，作为一个操作系统

• zing，azul 公司，商业软件，垃圾回收业界标杆（Hotspot参考了该虚拟机，提供了新的ZGC）

Class文件格式

查看Class文件的16进制形式，使用IDEA插件BinEd，打开.class文件并使用如下操作：

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有如下类：

package apache;

public class Main {
    public Main() {
    }
}

他的字节码信息如下；

CA FE BA BE 00 00 00 34 00 10 0A 00 03 00 0D 07 00 0E 07 00 0F 01 00 06 3C 69 6E 69 74 3E 01 00 03 28 29 56 01 00 04 43 6F 64 65 01 00 0F 4C 69 6E 65 4E 75 6D 62 65 72 54 61 62 6C 65 01 00 12 4C 6F 63 61 6C 56 61 72 69 61 62 6C 65 54 61 62 6C 65 01 00 04 74 68 69 73 01 00 0D 4C 61 70 61 63 68 65 2F 4D 61 69 6E 3B 01 00 0A 53 6F 75 72 63 65 46 69 6C 65 01 00 09 4D 61 69 6E 2E 6A 61 76 61 0C 00 04 00 05 01 00 0B 61 70 61 63 68 65 2F 4D 61 69 6E 01 00 10 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 4F 62 6A 65 63 74 00 21 00 02 00 03 00 00 00 00 00 01 00 01 00 04 00 05 00 01 00 06 00 00 00 2F 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 07 00 00 00 06 00 01 00 00 00 07 00 08 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 09 00 0A 00 00 00 01 00 0B 00 00 00 02 00 0C


使用javap命令查看class文件信息

javap -help
用法: javap <options> <classes>
其中, 可能的选项包括:
  -help  --help  -?        输出此用法消息
  -version                 版本信息
  -v  -verbose             输出附加信息  #(常用)#
  -l                       输出行号和本地变量表
  -public                  仅显示公共类和成员
  -protected               显示受保护的/公共类和成员
  -package                 显示程序包/受保护的/公共类
                           和成员 (默认)
  -p  -private             显示所有类和成员
  -c                       对代码进行反汇编
  -s                       输出内部类型签名
  -sysinfo                 显示正在处理的类的
                           系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
  -constants               显示最终常量
  -classpath <path>        指定查找用户类文件的位置
  -cp <path>               指定查找用户类文件的位置
  -bootclasspath <path>    覆盖引导类文件的位置

$ javap -v Main.class
Classfile /C:/Users/xxx/Documents/GitHub/notes-java/zookeeper/target/test-classes/apache/Main.class
  Last modified 2022-3-28; size 251 bytes
  MD5 checksum 85c5689a1e68f826681fab80150694ee
  Compiled from "Main.java"
public class apache.Main
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#13         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #14            // apache/Main
   #3 = Class              #15            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lapache/Main;
  #11 = Utf8               SourceFile
  #12 = Utf8               Main.java
  #13 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #14 = Utf8               apache/Main
  #15 = Utf8               java/lang/Object
{
  public apache.Main();
    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 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lapache/Main;
}
SourceFile: "Main.java"

使用IDEA Show ByteCode 查看class文件信息

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在IDEA内部配置javap工具

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重启IDEA：

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类加载机制

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一个class文件被初始化到JVM通常要经过下面几个过程：

1. Loading，将class加载到内存中

2. Linking，链接

   1. Verification，校验字节码

   2. Preparation，将class文件的静态变量赋默认值（注意不是代码设置的初始值）

   3. Resolution，class文件中使用的常量池的符号引用转换为内存地址

3. Initializing，静态变量赋代码设置的初始值，调用静态代码块

1. Loading：ClassLoader

加载Class文件到内存的步骤由ClassLoader来完成：

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可以在java代码中通过如下方式查询类加载器之间的关系，以及当前类是由哪个类加载器加载进来的：

HelloWorld h = new HelloWorld();

// 三种类加载器之间的关系
System.out.println(h.getClass().getClassLoader()); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@e2f2a
System.out.println(h.getClass().getClassLoader().getParent()); //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@e7d9f1
System.out.println(h.getClass().getClassLoader().getParent().getParent()); // null，因为BootstrapClassLoader是由C语言实现的

// 获取三种类加载器的加载路径
System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path")); // BootstrapClassLoader 扫描路径
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs")); // ExtensionClassLoader 扫描路径
System.out.println(System.getProperty("java.class.path")); // AppClassLoader 扫描路径

双亲委派机制

1. 类加载符合双亲委派机制

2. 当一个class需要被load到内存时，会自顶向上寻找class是否已经被load到内存了：CustomClassLoader、AppClassLoader、ExtensionClassLoader、BootstrapClassLoader的顺序

3. 如果某个ClassLoader已经加载这个类，那么会直接返回

4. 如果直到BootstrapClassLoader都没有加载这个类，那么Bootstrap会尝试load这个class

5. 这个load的操作会自顶向上的进行，会以 BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader、AppClassLoader、CustomClassLoader的顺序进行load

双亲委派就是从子到父的查找过程，又有一个从父到子的load过程

为什么需要双亲委派？

1. 主要是为了安全问题：如果没有双亲委派，假设第三方代码重写JDK中的核心类，对引用第三方代码的java程序造成破坏

2. 次要问题：可以解决类加载缓存的问题，放置二次加载损耗资源

使用类加载器

什么时候需要手动加载一个类：

1. 动态代理生成了一个新的class，此时需要程序手动load

2. 目标class在网络上，需要先下载，再手动load

3. 热部署加载，class文件修改后，手动load

使用加载器加载一个资源为流：

InputStream xx = Main.class.getClassLoader().getResourceAsStream("xx");

loadClass的源码

findInCache -> parent.loadClass -> findClass()

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 检查目标是否已经被加载，这个过程是调用的native方法
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        
        // 如果未被加载
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            // 使用父加载器加载
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            // 如果上面的所有父类都没有加载到，就自己加载
            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                // findClass是一个protected，不同的类加载器有不同的实现
                c = findClass(name);

                // this is the defining class loader; record the stats
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
    if (!checkName(name))
        return null;
    return findLoadedClass0(name);
}

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

自定义类加载器

继承ClassLoader类并重写loadClass方法， 参考类sun.misc.Launcher.AppClassLoader：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {
        String myPath = "file:///Users/xxx/Desktop/" + name.replace(".","/") + ".class";
        System.out.println(myPath);
        byte[] cLassBytes = null;
        Path path = null;
        try {
            path = Paths.get(new URI(myPath));
            cLassBytes = Files.readAllBytes(path);
        } catch (IOException | URISyntaxException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Class clazz = defineClass(name, cLassBytes, 0, cLassBytes.length);
        return clazz;
    }
}

2. Linking

2.1 Verification

验证文件是否符合JVM规定

2.2 Preparation

静态成员变量赋默认值

public class A {
    public static int count = 2; // 在该阶段，count的值为0
    public static T t = new T(); // 在该阶段，t的值为null
    
    private T(){
        count++;
    }
}

2.3 Resolution

将类、方法、属性等符号引用解析为直接引用 常量池中的各种符号引用解析为指针、偏移量等内存地址的直接引用

3. Initialzing

调用初始化代码

public class A {
    public static int count = 2; // 在该阶段count的值为3
    public static T t = new T(); // 在该阶段t的值已经被初始化为对象
    
    private T(){
        count++;
    }
}

指令重排序

有如下代码：

public class Main implements Serializable {

    public static void main(String[] args) {
        Main m = new Main();
    }

}

他的main方法生成的指令如下：

0: new           #2                  // class apache/Main
3: dup
4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V      调用构造器
7: astore_1                          // 将内存地址赋予给变量 m
8: return

因为有可能发生指令重排序，他的字节码指令有可能是如下这样的（astore_1 和 invokespecial有可能被重排）：

0: new           #2                  // class apache/Main
3: dup
7: astore_1                          // 将内存地址赋予给变量 m
4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V      调用构造器
8: return

所以也就有了双重检查锁的问题：

public class S5_DoubleCheckLockImplement {

    private static  S5_DoubleCheckLockImplement INSTANCE;

    private S5_DoubleCheckLockImplement() {
    }

    public static S5_DoubleCheckLockImplement getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized(S5_DoubleCheckLockImplement.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new S5_DoubleCheckLockImplement();
                    // astore_1     先执行该指令，此时instance已经不是null了
                    // 其他线程进入该方法，判断INSTANCE != null，直接返回了一个没有调用构造的空对象
                    // invokespecial 最后调用构造
                  	// 所以需要 volatile 关键字，防止指令重排序
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

}

JMM

Java Memory Model，Java内存模型。

硬件层的数据一致性

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因为CPU、内存、磁盘的读取速度各不相同，所以存储器按照他们的速度将其划分为了6个层次。当CPU想要读取某个数据时，会先从寄存器开始读取，依次向下查找；如果找到了，会从下到上依次缓存到更高级别的缓存。是一种多级缓存的机制。