個(gè)人筆記，深入理解 JVM，很全！

01、前言

刷豆瓣看到《深入理解 JVM》出第三版了，遂買之更新 JVM 知識，本文為筆記，僅供個(gè)人 Review

02、Java 內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出

03、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

參考：JVM 規(guī)范，Memories of a Java Runtime

堆：JVM 啟動時(shí)按-Xmx, -Xms大小創(chuàng)建的內(nèi)存區(qū)域，用于分配對象、數(shù)組所需內(nèi)存，由 GC 管理和回收

方法區(qū)：存儲被 JVM 加載的類信息（字段、成員方法的字節(jié)碼指令等）、運(yùn)行時(shí)常量池（字面量、符號引用等）、JIT 編譯后的 Code Cache 等信息；JDK8 前 Hotspot 將方法區(qū)存儲于永久代堆內(nèi)存，之后參考 JRockit 廢棄了永久代，存儲于本地內(nèi)存的 Metaspace 區(qū)

直接內(nèi)存：JDK1.4 引入 NIO 使用 Native/Unsafe 庫直接分配系統(tǒng)內(nèi)存，使用 Buffer,Channel 與其交互，避免在系統(tǒng)內(nèi)存與 JVM 堆內(nèi)存之間拷貝的開銷

線程私有內(nèi)存

• 程序計(jì)數(shù)器：記錄當(dāng)前線程待執(zhí)行的下一條指令位置，上下文切換后恢復(fù)執(zhí)行，由字節(jié)碼解釋器負(fù)責(zé)更新
• JVM 棧
• 描述 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：執(zhí)行新方法時(shí)創(chuàng)建棧幀，存儲局部變量表、操作數(shù)棧等信息
• 存儲單位：變量槽 slot，long, double占 2 個(gè) slot，其他基本數(shù)據(jù)類型、引用類型占 1 個(gè)，故表的總長度在編譯期可知
• 本地方法棧：執(zhí)行本地 C/C++ 方法

04、JVM 對象

1. 創(chuàng)建對象

分配堆內(nèi)存：類加載完畢后，其對象所需內(nèi)存大小是確定的；堆內(nèi)存由多線程共享，若并發(fā)創(chuàng)建對象都通過 CAS 樂觀鎖爭奪內(nèi)存，則效率低。故線程創(chuàng)建時(shí)在堆內(nèi)存為其分配私有的分配緩沖區(qū)（TLAB：Thread Local Allocation Buffer）

• 內(nèi)存模型

• 分配流程

注：當(dāng) TLAB 剩余空間不足以分配新對象，但又小于最大浪費(fèi)空間閾值時(shí)，才會加鎖創(chuàng)建新的 TLAB

零值初始化對象的堆內(nèi)存、設(shè)置對象頭信息、執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)?()V

2. 對象的內(nèi)存布局

對象頭

• Mark Word：記錄對象的運(yùn)行時(shí)信息，如 hashCode，GC 分代年齡，尾部 2 bit 用于標(biāo)記鎖狀態(tài)

• Class Pointer：指向所屬的類信息

• 數(shù)組長度（可選，對象為數(shù)組）：4 字節(jié)存儲其長度

對象數(shù)據(jù)：各種字段的值，按寬度分類緊鄰存儲

對齊填充：內(nèi)存對齊為 1 個(gè)字長整數(shù)倍，減少 CPU 總線周期

驗(yàn)證：openjdk/jol 檢查對象內(nèi)存布局

public?class?User?{
private?int?age?=?-1;
private?String?name?=?"unknown";
}

//?java?-jar?~/Downloads/jol-cli-latest.jar?internals?-cp?.?com.jol.User
OFF??SZ???????????????TYPE?DESCRIPTION???????????????VALUE
0???8????????????????????(object?header:?mark)?????0x0000000000000001?(non-biasable;?age:?0)
8???4????????????????????(object?header:?class)????0xf8021e85?//?User.class?引用地址
?12???4????????????????int?User.age??????????????????-1?????????//?基本類型則直接存儲值
?16???4???java.lang.String?User.name?????????????????(object)???//?引用類型，指向運(yùn)行時(shí)常量池中的?String?對象
?20???4????????????????????(object?alignment?gap)???????????????//?有?4?字節(jié)的內(nèi)存填充
Instance?size:?24?bytes

05、內(nèi)存溢出

堆內(nèi)存：-Xms指定堆初始大小，當(dāng)大量無法被回收的對象所占內(nèi)存超出-Xmx上限時(shí)，將發(fā)生內(nèi)存溢出?OutOfMemoryError

• 排查：通過 Eclipse MAT 分析?-XX:+HeapDumpOnOutOfMemory生成的 *.hprof 堆轉(zhuǎn)儲文件，定位無法被回收的大對象，找出其 GC Root 引用路徑

• 解決：若為內(nèi)存泄露，則修改代碼用null顯式賦值、虛引用等方式及時(shí)回收大對象；若為內(nèi)存溢出，大對象都是必須存活的，則調(diào)大-Xmx、減少大對象的生命周期、檢查數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用是否合理等

//?-Xms20m?-Xmx20m?-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
public?class?HeapOOM?{
?static?class?OOMObject?{}
?public?static?void?main(String[]?args)?{
??List?vs?=?new?ArrayList<>();
??while?(true)
?????vs.add(new?OOMObject());
?}
}

分析 GC Root 發(fā)現(xiàn)com.ch02.HeapOOM對象間接引用了大量的OOMObject對象，共占用 15.4MB 堆內(nèi)存，無法回收最終導(dǎo)致 OOM

棧內(nèi)存：-Xss指定棧大小，當(dāng)棧深度超閾值（比如未觸發(fā)終止條件的遞歸調(diào)用）、本地方法變量表過大等，都可能導(dǎo)致內(nèi)存溢出?StackOverflowError

方法區(qū)：-XX:MetaspaceSize指定元空間初始大小，-XX:MaxMetaspaceSize指定最大大小，默認(rèn) -1 無限制，若在運(yùn)行時(shí)動態(tài)生成大量的類，則可能觸發(fā) OOM

運(yùn)行時(shí)常量池：strObj.intern()動態(tài)地將首次出現(xiàn)的字符串對象放入字符串常量池并返回，JDK7 前會拷貝到永久代，之后則直接引用堆對象

String?s1?=?"java";?//?類加載時(shí)，從字節(jié)碼常量池中拷貝符號到了運(yùn)行時(shí)常量池，在解析階段初始化的字符串對象
String?s2?=?"j";
String?s3?=?s2?+?"ava";?//?堆上動態(tài)分配的字符串對象
println(s3?==?s1);??????????//?false
println(s3.intern()?==?s1);?//?true?//?已在字符串常量池中存在

直接內(nèi)存：-XX:MaxDirectMemorySize指定大小，默認(rèn)與-Xmx一樣大，不被 GC 管理，申請內(nèi)存超閾值時(shí) OOM

06、垃圾回收與內(nèi)存分配

GC 可分解為 3 個(gè)子問題：which（哪些內(nèi)存可被回收）、when（什么時(shí)候回收）、how（如何回收）

07、GC 條件

1. 引用計(jì)數(shù)算法（reference counting）

原理：每個(gè)對象都維護(hù)一個(gè)引用計(jì)數(shù)器rc，當(dāng)通過賦值、傳參等方式引用它時(shí)rc++，當(dāng)引用變量修改指向、離開函數(shù)作用域等方式解除引用時(shí)rc--，遞減到 0 時(shí)說明對象無法再被使用，可回收。偽代碼：

assign(var,?obj):
incr_ref(obj)?#?self?=?self?#?先增再減，避免引用自身導(dǎo)致內(nèi)存提前釋放
decr_ref(var)
var?=?obj
?
incr(obj):
obj.rc++

decr(obj):
obj.rc--
if?obj.rc?==?0:
??remove_ref(obj)?#?斷開?obj?與其他對象的引用關(guān)系
??gc(obj)?????????#?回收?obj?內(nèi)存

優(yōu)點(diǎn)：思路簡單，對象無用即回收，延遲低，適合內(nèi)存少的場景

缺點(diǎn)：此算法中對象是孤立的，無法在全局視角檢查對象的真實(shí)有效性，循環(huán)引用的雙方對象需引入外部機(jī)制來檢測和回收，如下圖紅色圈（圖源：what-is-garbage-collection）

2. 可達(dá)性分析算法（reachability analysis）

原理：從肯定不會被回收的對象（GC Roots）出發(fā)，向外搜索全局對象圖，不可達(dá)的對象即無法再被使用，可回收；常見可作為 GC Root 的對象有：

• 執(zhí)行上下文：JVM 棧中參數(shù)、局部變量、臨時(shí)變量等引用的堆對象
• 全局引用：方法區(qū)中類的靜態(tài)引用、常量引用（如 StringTable 中的字符串對象）所指向的對象

優(yōu)點(diǎn)：無需對象維護(hù) GC 元信息，開銷小；單次掃描即可批量識別、回收對象，吞吐高

缺點(diǎn)：多線程環(huán)境下對象間的引用關(guān)系隨時(shí)在變化，為保證 GC Root 標(biāo)記的準(zhǔn)確性，需在不變化的 snapshot 中進(jìn)行，會產(chǎn)生 Stop The World（以下簡稱 STW） 卡頓現(xiàn)象

3. 四種引用類型

示例：限制堆內(nèi)存 50MB，其中新生代 30MB，老年代 20MB；依次分配 5 次 10MB 的byte[]對象，僅使用軟引用來引用，觀察 GC 過程

public?static?void?main(String[]?args)?{
//?softRefList?-->?SoftReference?-->?10MB?byte[]?
List>?softRefList?=?new?ArrayList<>();
ReferenceQueue?softRefQueue?=?new?ReferenceQueue<>();?//?無效引用隊(duì)列
for?(int?i?=?0;?i???SoftReference?softRef?=?new?SoftReference<>(new?byte[10*1024*1024],?softRefQueue);
??softRefList.add(softRef);

??for?(SoftReference?ref?:?softRefList)?//?dump?所有軟引用指向的對象，檢查是否已被回收
??????System.out.print(ref.get()?==?null???"gced?"?:?"ok?");
??System.out.println();
}
Reference?ref?=?softRefQueue.poll();
while?(ref?!=?null)?{
??softRefList.remove(ref);?//?解除對軟引用對象本身的引用
??ref?=?softRefQueue.poll();
}
System.out.println("effective?soft?ref:?"?+?softRefList.size());?//?2
}

//?java?-verbose:gc?-XX:NewSize=30m?-Xms50m?-Xmx50m?-XX:+PrintGCDetails?com.ch02.DemoRef
ok?
ok?ok?
//?分配第三個(gè)?[]byte?時(shí)，Eden?GC?無效，觸發(fā)?Full?GC?將一個(gè)?[]byte?晉升到老年區(qū)
//?此時(shí)三個(gè)?byte[]?都只被軟引用所引用，被標(biāo)記為待二次回收（若為弱引用，此時(shí)?Eden?已被回收）
[GC?(Allocation?Failure)?--[PSYoungGen:?21893K->21893K(27136K)]?21893K->32141K(47616K),?0.0046324?secs]
[Full?GC?(Ergonomics)?[PSYoungGen:?21893K->10527K(27136K)]?[ParOldGen:?10248K->10240K(20480K)]?32141K->20767K(47616K),?[Metaspace:?2784K->2784K(1056768K)],?0.004?secs]
ok?ok?ok
//?再次?GC，前三個(gè)?byte[]?全部被回收
[GC?(Allocation?Failure)?--[PSYoungGen:?20767K->20767K(27136K)]?31007K->31007K(47616K),?0.0007963?secs]
[Full?GC?(Ergonomics)?[PSYoungGen:?20767K->20759K(27136K)]?[ParOldGen:?10240K->10240K(20480K)]?31007K->30999K(47616K),?[Metaspace:?2784K->2784K(1056768K)],?0.003?secs]
[GC?(Allocation?Failure)?--[PSYoungGen:?20759K->20759K(27136K)]?30999K->30999K(47616K),?0.0007111?secs]
[Full?GC?(Allocation?Failure)?[PSYoungGen:?20759K->0K(27136K)]?[ParOldGen:?10240K->267K(20480K)]?30999K->267K(47616K),?[Metaspace:?2784K->2784K(1056768K)],?0.003?secs]
gced?gced?gced?ok
gced?gced?gced?ok?ok

4. finalize

原理：若對象不可達(dá)，被標(biāo)記為可回收后，會進(jìn)行finalize()是否被重寫、是否已執(zhí)行過等條件篩選，若通過則對象會被放入 F-Queue 隊(duì)列，等待低優(yōu)先級的后臺 Finalizer 線程觸發(fā)其finallize()?的執(zhí)行（不保證執(zhí)行結(jié)束），對象可在finalize中建立與 GC Root 對象圖上任一節(jié)點(diǎn)的引用關(guān)系，來逃脫 GC

使用：finalize 機(jī)制與 C++ 中的析構(gòu)函數(shù)并不等價(jià)，其執(zhí)行結(jié)果并不確定，不推薦使用，可用try-finally替代

08、GC 算法

分代收集理論

兩個(gè)分代假說：符合大多數(shù)程序運(yùn)行的實(shí)際情況

• 弱分代假說：絕大多數(shù)對象是朝生夕滅，生存時(shí)間極短
• 強(qiáng)分代假說：熬過越多次 GC 的對象，越可能被繼續(xù)使用，越難以回收

對應(yīng)地，JVM 堆被劃分為 2 個(gè)不同區(qū)域，將對象按年齡分類，兼顧了 GC 耗時(shí)與內(nèi)存利用率

• 新生代：大量對象將被回收，只關(guān)注仍存活的對象，逐步晉升
• 老年代：大量對象不被回收，只關(guān)注要被回收的對象

跨代引用

• 問題：老年代會引用新生代，新生代 GC 時(shí)需遍歷老年代中大量的存活對象，分析可達(dá)性，時(shí)間復(fù)雜度高
• 背景：相互引用的對象傾向于同時(shí)存亡，比如跨代引用關(guān)系中的新生代必然會逐步晉升，最終消除跨代關(guān)系
• 假說：跨代引用相比同代引用只占極少數(shù)，無需全量掃描老年代
• 實(shí)現(xiàn)：新生代維護(hù)全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：記憶集（Remembered Set），將老年代分為多個(gè)子塊，標(biāo)記存在跨代引用的子塊，等待后續(xù)掃描；代價(jià)：為保證記憶集的正確性，需在跨代引用建立或斷開時(shí)保持同步

09、標(biāo)記清除：Mark-Sweep

• 原理：標(biāo)記不可達(dá)對象，統(tǒng)一清理回收，反之亦可
• 缺點(diǎn)：執(zhí)行效率不穩(wěn)定，回收耗時(shí)取決于活躍對象的數(shù)量；內(nèi)存碎片多，會出現(xiàn)內(nèi)存充足但無法分配過大的連續(xù)內(nèi)存（數(shù)組）

10、標(biāo)記復(fù)制：Mark-Copy

• 理論：將堆內(nèi)存切為兩等份 A, B，每次僅使用 A，用完后標(biāo)記存活對象復(fù)制到 B，清空 A 后執(zhí)行 swap
• 優(yōu)點(diǎn)：直接針對半?yún)^(qū)回收，無內(nèi)存碎片問題；分配內(nèi)存只需移動堆頂指針，高效順序分配
• 缺點(diǎn)：當(dāng) A 區(qū)有大量存活對象時(shí)，復(fù)制開銷大；B 區(qū)長時(shí)間閑置，內(nèi)存浪費(fèi)嚴(yán)重
• 實(shí)踐：對于存活對象少的新生代，無需按 1:1 分配，而是按 8:1:1 的內(nèi)存布局，其中 Eden 和 From 區(qū)同時(shí)使用，只有 To 區(qū)會被閑置（擔(dān)保機(jī)制：若 To 區(qū)不夠容納 Minor GC 后的存活對象，則晉升到老年區(qū)）

11、標(biāo)記整理：Mark-Compact

• 原理：標(biāo)記存活對象后統(tǒng)一移動到內(nèi)存空間一側(cè)，再回收邊界之外的內(nèi)存
• 優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)存模型簡單，無內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存分配和訪問的時(shí)間成本，能提高吞吐
• 缺點(diǎn)：對象移動需 STW 同步更新引用關(guān)系，會增加延遲

12、HotSpot GC 算法細(xì)節(jié)

13、發(fā)起 GC：安全點(diǎn)與安全區(qū)域

• 問題：為保證可達(dá)性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需掛起用戶線程（STW），再從各線程的執(zhí)行上下文中收集 GC Root，如何通知線程掛起？
• 安全點(diǎn)：HotSpot 內(nèi)部有線程中斷標(biāo)記；在各線程的方法調(diào)用、循環(huán)跳轉(zhuǎn)、異常跳轉(zhuǎn)等會長時(shí)間執(zhí)行的指令處，額外插入檢查該標(biāo)記的test高效指令；若輪詢發(fā)現(xiàn)標(biāo)記為真，線程會主動在最近的 SafePoint 處掛起，此時(shí)其棧上對象的引用關(guān)系不再變化，可收集 GC Root 對象
• 安全區(qū)域：引用關(guān)系不會變化的指令區(qū)域，可安全地收集 GC Root；線程離開此區(qū)域時(shí)，若 GC Root 收集過程還未結(jié)束，則需等待

示意圖

14、加速 GC：CardTable

問題：非收集區(qū)域（老年代）會存在到收集區(qū)域（新生代）的跨代引用，如何避免對前者的全量掃描？

卡表：記憶集的字節(jié)數(shù)組實(shí)現(xiàn)；將老年代內(nèi)存劃分為 Card Page（512KB）大小的子內(nèi)存塊，若新建跨代引用，則將對應(yīng)的 Card 標(biāo)記為 dirty，GC 時(shí)只需掃描老年代中被標(biāo)記為 dirty 的子內(nèi)存塊

寫屏障：有別于volatile禁用指令重排的內(nèi)存屏障，GC 中的寫屏障是在對象引用更新時(shí)執(zhí)行額外 hook 動作的機(jī)制。簡單實(shí)現(xiàn)：

void?oop_field_store(oop*?field,?oop?new_val)?{?//?oop:?ordinary?object?pointer
// pre_write_barrier(field, new_val);?//?寫前屏障：更新前先執(zhí)行，使用 oop 舊狀態(tài)
*field?=?new_val;
post_write_barrier(field, new_val);?//?寫后屏障：更新完才執(zhí)行
}

使用寫屏障保證 CardTable 的實(shí)時(shí)更新（圖源：The JVM Write Barrier - Card Marking）

15、正確 GC：并發(fā)可達(dá)性分析

參考演講：Shenandoah: The Garbage Collector That Could by Aleksey Shipilev

**問題：**GC Roots 的對象源固定，故枚舉時(shí) STW 時(shí)間短暫且可控。但后續(xù)可達(dá)性分析的時(shí)間復(fù)雜度與堆中對象數(shù)量成正相關(guān)，即堆中對象越多，對象圖越復(fù)雜，堆變大后 STW 時(shí)間不可接受

**解決：**并發(fā)標(biāo)記。引出新問題：用戶線程動態(tài)建立、解除引用，標(biāo)記過程中圖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)果不可靠；證明：用三色法描述對象狀態(tài)

• 白色：未被回收器訪問過的對象；分析開始都是白色，分析結(jié)束還是白色則不可達(dá)
• 灰色：被回收器訪問過，但其上至少還有 1 個(gè)引用未被掃描（中間態(tài)）
• 黑色：被回收器訪問過，其上引用全部都已被掃描，存在引用鏈，為存活對象；若其他對象引用了黑色對象，則不必再掃描，肯定也存活；黑色不可能直接引用白色

STW 無并發(fā)的正確標(biāo)記：頂部 3 個(gè)對象將被回收

用戶線程并發(fā)修改引用，會導(dǎo)致標(biāo)記結(jié)果無效，分 2 種情況：

• 少回收，對象標(biāo)記為存活，但用戶解除了引用：產(chǎn)生浮動垃圾，可接受，等待下次 GC

• 誤回收，對象標(biāo)記為可回收，但用戶新建了引用：實(shí)際存活對象被回收，內(nèi)存錯誤

論文《Uniprocessor Garbage Collection Techniques - Paul R. Wilson》§3.2 證明了「實(shí)際存活的對象被標(biāo)記為可回收」必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件（有時(shí)間序）

• 插入一條或多條從黑色到白色的新引用
• 刪除所有灰色到該白色的直接、間接引用

為正確實(shí)現(xiàn)標(biāo)記，打破其中一個(gè)條件即可（類比打破死鎖四個(gè)條件之一的思想），分別對應(yīng)兩種方案：

• 增量更新 Increment Update：記錄黑到白的引用關(guān)系，并發(fā)標(biāo)記結(jié)束后，以黑為根，重新掃描；A 直接存活
• 原始快照 SATB（Snapshot At The Begining）：記錄灰到白的解引用關(guān)系，并發(fā)標(biāo)記結(jié)束后，以灰為根，重新掃描；B 為灰色，最后變?yōu)楹谏婊睢Ｐ枳⒁猓魶]有步驟 3，則 B,C 變?yōu)楦永?/section>

16、經(jīng)典垃圾回收器

搭配使用示意圖：

17、Serial, SerialOld

原理：內(nèi)存不足觸發(fā) GC 后會暫停所有用戶線程，單線程地在新生代中標(biāo)記復(fù)制，在老年代中標(biāo)記整理，收集完畢后恢復(fù)用戶線程

優(yōu)點(diǎn)：全程 STW 簡單高效

缺點(diǎn)：STW 時(shí)長與堆對象數(shù)量成正相關(guān)，且 GC 線程只能用到 1 core 無法加速

場景：單核 CPU 且可用內(nèi)存少（如百兆級），JDK1.3 之前的唯一選擇

18、ParNew

原理：多線程并行版的 Serial 實(shí)現(xiàn)，能有效減少 STW 時(shí)長；線程數(shù)默認(rèn)與核數(shù)相同，可配置

場景：JDK7 之前搭配老年代的 CMS 回收器使用

19、Parallel, Parallel Old

垃圾回收有兩個(gè)通常不可兼得的目標(biāo)

• 低延遲：STW 時(shí)長短，響應(yīng)快；允許高頻、短暫 GC，比如調(diào)小新生代空間，加快收集延遲（吞吐下降）
• 高吞吐量：用戶線程耗時(shí) /（用戶線程耗時(shí) + GC 線程耗時(shí)）高，GC 總時(shí)間低；允許低頻、單次長時(shí)間 GC，（延遲增加）

原理：與 ParNew 類似都是并行回收，主要增加了 3 個(gè)選項(xiàng)（傾向于提高吞吐量）

• -XX:MaxGCPauseTime：控制最大延遲
• -XX:GCTimeRatio：控制吞吐（默認(rèn) 99%）
• -XX:+UseAdaptiveSizePolicy?：啟用自適應(yīng)策略，自動調(diào)整 Eden 與 2 個(gè) Survivor 區(qū)的內(nèi)存占比-XX:SurvivorRatio，老年代晉升閾值?-XX:PretenureSizeThreshold

20、CMS

CMS：Concurrent Mark Sweep，即并發(fā)標(biāo)記清除，主要有 4 個(gè)階段

• 初始標(biāo)記（initial mark）：STW 快速收集 GC Roots
• 并發(fā)標(biāo)記（concurrent mark）：從 GC Roots 出發(fā)檢測引用鏈，標(biāo)記可回收對象；與用戶線程并發(fā)執(zhí)行，通過增量更新來避免誤回收
• 重新標(biāo)記（remark）：STW 重新分析被增量更新所收集的 GC Roots
• 并發(fā)清除（concurrent sweep）：并發(fā)清除可回收對象

優(yōu)點(diǎn)：兩次 STW 時(shí)間相比并發(fā)標(biāo)記耗時(shí)要短得多，相比前三種收集器，延遲大幅降低

缺點(diǎn)

• CPU 敏感：若核數(shù)較少（< 4core），并發(fā)標(biāo)記將占用大量 CPU 時(shí)間，會導(dǎo)致吞吐突降
• 無法處理浮動垃圾：-XX:CMSInitiatingOccupancyFration（默認(rèn) 92%）指定觸發(fā) CMS GC 的閾值；在并發(fā)標(biāo)記、并發(fā)清理的同時(shí)，用戶線程會產(chǎn)生浮動垃圾（引用可回收對象、產(chǎn)生新對象），若浮動垃圾占比超過-XX:CMSInitiatingOccupancyFration；若 GC 的同時(shí)產(chǎn)生過多的浮動垃圾，導(dǎo)致老年代內(nèi)存不足，會出現(xiàn) CMS 并發(fā)失敗，退化為 Serial Old 執(zhí)行 Full GC，會導(dǎo)致延遲突增
• 無法避免內(nèi)存碎片：-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction（默認(rèn) 0）指定每次在 Full GC 前，先整理老年代的內(nèi)存碎片

21、G1

特點(diǎn)：基于 region 內(nèi)存布局實(shí)現(xiàn)局部回收；GC 延遲目標(biāo)可配置；無內(nèi)存碎片問題

跨代引用：各 region 除了用卡表標(biāo)記各卡頁是否為 dirty 之外，還用哈希表記錄了各卡頁正在被哪些 region 引用，通過這種“雙向指針”機(jī)制，能直接找到 Old 區(qū)，避免了全量掃描（G1 自身內(nèi)存開銷大頭）

G1 GC 有 3 個(gè)階段（參考其 GC 日志）

• 新生代 GC：Eden 區(qū)占比超閾值觸發(fā)；標(biāo)記存活對象并復(fù)制到 Survivor 區(qū)，其內(nèi)可能有對象會晉升到 Old 區(qū)

• 老年代 GC：Old 區(qū)占比達(dá)到閾值后觸發(fā)，執(zhí)行標(biāo)記整理

• 初始標(biāo)記：枚舉 GC Roots，已在新生代 GC 時(shí)順帶完成

• 并發(fā)標(biāo)記：并發(fā)執(zhí)行可達(dá)性分析，使用 SATB 記錄引用變更

• 重新標(biāo)記：SATB 分析，避免誤回收

• 篩選回收：將 region 按回收價(jià)值和時(shí)間成本篩選組成回收集，STW 將存活對象拷貝到空 regions 后清理舊 regions，完成回收

• 混合 GC

參數(shù)控制（文檔：HotSpot GC Tuning Guide）

22、內(nèi)存分配策略

使用 Serial 收集器?-XX:+UseG1GC?演示

1. 對象優(yōu)先分配在 Eden 區(qū)

新對象在 Eden 區(qū)分配，空間不足則觸發(fā) Minor GC，存活對象拷貝到 To Survivor，若還是內(nèi)存不足則通過分配擔(dān)保機(jī)制轉(zhuǎn)移到老年區(qū)，依舊不足才 OOM

byte[]?buf1?=?new?byte[6?*?MB];
byte[]?buf2?=?new?byte[6?*?MB];?//?10MB?的?eden?區(qū)剩余?4MB，空間不足，觸發(fā)?minor?GC

//?java?-verbose:gc?-Xms20m?-Xmx20m?-Xmn10m?-XX:+PrintGCDetails?-XX:+UseSerialGC?com.ch03.Allocation
//?minor?gc?后新生代內(nèi)存從?6M?降到?0.2M，存活對象移到了老年區(qū)，總的堆內(nèi)存用量依舊是?6MB
[GC?(Allocation?Failure)?[DefNew:?6823K->286K(9216K),?0.002?secs]?6823K->6430K(19456K),?0.002?secs]?[Times:?user=0.00?sys=0.00,?real=0.00?secs]?
Heap
?def?new?generation???total?9216K,?used?6513K?
eden?space?8192K,??76%?used?//?buf2
from?space?1024K,??28%?used
to???space?1024K,???0%?used?
?tenured?generation???total?10240K,?used?6144K
?the?space?10240K,??60%?used?//?buf1

2. 大對象直接進(jìn)入老年區(qū)

對于 Serial, ParNew，可配置超過閾值?-XX:PretenureSizeThreshold?的大對象（連續(xù)內(nèi)存），直接在老年代中分配，避免觸發(fā) minor gc，導(dǎo)致 Eden 和 Survivor 產(chǎn)生大量的內(nèi)存復(fù)制操作

byte[]?buf1?=?new?byte[4?*?MB];

//?java?-verbose:gc?-Xms20m?-Xmx20m?-Xmn10m?-XX:+PrintGCDetails?-XX:+UseSerialGC
//?-XX:PretenureSizeThreshold=3145728?com.ch03.Allocation?//?3145728?即?3MB
Heap
?def?new?generation???total?9216K,?used?843K?
eden?space?8192K,??10%?used?
from?space?1024K,???0%?used?
to???space?1024K,???0%?used?
?tenured?generation???total?10240K,?used?4096K?
?the?space?10240K,??40%?used?//?buf1

3. 長期存活的對象進(jìn)入老年代

對象頭中 4bit 的 age 字段存儲了對象當(dāng)前 GC 分代年齡，當(dāng)超過閾值-XX:MaxTenuringThreshold（默認(rèn) 15，也即 age 字段最大值）后，將晉升到老年代，可搭配-XX:+PrintTenuringDistribution觀察分代分布

byte[]?buf1?=?new?byte[MB?/?16];
byte[]?buf2?=?new?byte[4?*?MB];
byte[]?buf3?=?new?byte[4?*?MB];?//?觸發(fā)?minor?gc
buf3?=?null;
buf3?=?new?byte[4?*?MB];

//?java?-verbose:gc?-Xms20m?-Xmx20m?-Xmn10m?-XX:+PrintGCDetails?-XX:+UseSerialGC?
//?-XX:MaxTenuringThreshold=1?-XX:+PrintTenuringDistribution?com.ch03.Allocation
[GC?(Allocation?Failure)?[DefNew
Desired?survivor?size?524288?bytes,?new?threshold?1?(max?1)
-?age???1:?????359280?bytes,?????359280?total
:?4839K->350K(9216K)]?4839K->4446K(19456K),?0.0017247?secs]?
//?至此，buf1?熬過了第一次收集，age=1
[GC?(Allocation?Failure)?[DefNew
Desired?survivor?size?524288?bytes,?new?threshold?1?(max?1):?4446K->0K(9216K)]?8542K->4438K(19456K)]?
Heap
?def?new?generation???total?9216K,?used?4178K?
eden?space?8192K,??51%?used?
from?space?1024K,???0%?used?//?buf1?在第二輪收集中被提前晉升
to???space?1024K,???0%?used?
?tenured?generation???total?10240K,?used?4438K?
?the?space?10240K,??43%?used?

4. 分代年齡動態(tài)判定

-XX:MaxTenuringThreshold并非晉升的最低硬性門檻，當(dāng) Survivor 中同齡對象超 50% 后，大于等于該年齡的對象會被自動晉升，哪怕還沒到閾值

5. 空間分配擔(dān)保

老年代作為 To Survivor 區(qū)的擔(dān)保區(qū)域，當(dāng) Eden + From Survivor 中存活對象的總大小超出 To Survivor 時(shí)，將嘗試存入老年代。JDK6 之后，只要老年代的連續(xù)空間大于新生代對象的總大小，或之前晉升的平均大小，則只會進(jìn)行 Minor GC，否則進(jìn)行 Full GC

23、類文件結(jié)構(gòu)

Class 文件實(shí)現(xiàn)語言無關(guān)性，JVM 實(shí)現(xiàn)平臺無關(guān)性，參考《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》

一個(gè) Class 文件描述了一個(gè)類或接口的明確定義，文件內(nèi)容是一組以 8 字節(jié)為單位的二進(jìn)制流，各數(shù)據(jù)項(xiàng)間沒有分隔符，超過 8 字節(jié)的數(shù)據(jù)項(xiàng)按 Big-Endian 切分后存儲。數(shù)據(jù)項(xiàng)分兩種：

• 無符號數(shù)：描述基本類型；用?u1,u2,u4,u8?分別表示?1,2,4,8?字節(jié)長度的無符號數(shù)；存儲數(shù)字值、索引序號、UTF-8 編碼值等
• 表：由無符號數(shù)、其他表嵌套構(gòu)成的復(fù)合類型；約定?_info?后綴；存儲字段類型、方法簽名等

24、結(jié)構(gòu)定義

25、語法

參考文檔：The class File Format

ClassFile?{
u4?????????????magic;?????????//?魔數(shù)
u2?????????????minor_version;?//?版本號
u2?????????????major_version;
u2?????????????constant_pool_count;?//?常量池
cp_info????????constant_pool[constant_pool_count-1];
u2?????????????access_flags;?????//?類訪問標(biāo)記
u2?????????????this_class;???????//?本類全限定名
u2?????????????super_class;??????//?單一父類
u2?????????????interfaces_count;?//?多個(gè)接口
u2?????????????interfaces[interfaces_count];
u2?????????????fields_count;??//?字段表
field_info?????fields[fields_count];
u2?????????????methods_count;?//?方法表
method_info????methods[methods_count];
u2?????????????attributes_count;?//?類屬性
attribute_info?attributes[attributes_count];
}

• magic：魔數(shù)，簡單識別?*.class?文件，值固定為?0xCAFEBABE

• minor_version, major_version：Class 文件的次、主版本號

• constant_pool_count：常量池大小+1

• constant_pool：常量池，索引從 1 開始，0 值被預(yù)留表示不引用任何常量池中的任何常量；常量分兩類

• 字面量：如 UTF8 字符串、int、float、long、double 等數(shù)字常量

• 符號引用：類、接口的全限定名、字段名與描述符、方法類型與描述符等 現(xiàn)有常量共計(jì) 17 種，常量間除了都使用u1 tag前綴標(biāo)識常量類型外，結(jié)構(gòu)互不相同，常見的有：

• CONSTANT_Utf8_info：保存由 UTF8 編碼的字符串

CONSTANT_Utf8_info?{
??u1?tag;???????????//?值為?1
??u2?length;????????//?bytes?數(shù)組長度，u2?最大值?65535，即單個(gè)字符串字面量不超過?64KB
??u1?bytes[length];?//?長度不定的字節(jié)數(shù)組
}

• CONSTANT_Class_info：表示類或接口的符號引用

CONSTANT_Class_info?{
??u1?tag;????????//?值為?7
??u2?name_index;?//?指向全限定類名的?Utf8_info?//?常量間存在層級組合關(guān)系
}

• CONSTANT_Fieldref_info, CONSTANT_Methodref_info, CONSTANT_NameAndType_info：成員變量、成員方法及其類型描述符

CONSTANT_Fieldref_info?{
??u1?tag;?????????????????//?值為?9
??u2?class_index;?????????//?所屬類
??u2?name_and_type_index;?//?字段的名稱、類型描述符
}
CONSTANT_Methodref_info?{
??u1?tag;?????????????????//?值為?10
??u2?class_index;?????????//?所屬類
??u2?name_and_type_index;?//?方法的名稱、簽名描述符
}
CONSTANT_NameAndType_info?{
??u1?tag;??????????????//?值為?12
??u2?name_index;???????//?字段或方法的名稱
??u2?descriptor_index;?//?類型描述符
}

如上只列舉了其中 5 種常量的結(jié)構(gòu)，可見常量間通過組合的方式，來描述層級關(guān)系

• access_flags：類的訪問標(biāo)記，有 16bit，每個(gè)標(biāo)記對應(yīng)一個(gè)位，比如ACC_PUBLIC對應(yīng)0x0001，表示類被 public 修飾；其他 8 個(gè)標(biāo)記參考?Opcodes.ACC_XXX

• this_class, super_class：指向本類、唯一父類的 Class_info 符號常量

• interface_count, interfaces：描述此類實(shí)現(xiàn)的多個(gè)接口信息

• fields_count, fields：字段表；描述類字段、成員變量的個(gè)數(shù)及詳細(xì)信息

field_info?{
u2?????????????access_flags;?????//?作用域、static,final,volatile?等訪問標(biāo)記
u2?????????????name_index;???????//?字段名
u2?????????????descriptor_index;?//?類型描述符
u2?????????????attributes_count;?//?字段的屬性表
attribute_info?attributes[attributes_count];
}

類型描述符簡化描述了字段的數(shù)據(jù)類型、方法的參數(shù)列表及返回值，與 Java 中的類型對于關(guān)系如下：

• 基本類型：Z:boolean, B:byte, C:char, S:short, I:int, F:float, D:double, J:long

• void 及引用類型：V:void

• 引用類型：L:_，類名中的 . 替換為 /，添加 ; 分隔符，如 Object 類描述為Ljava/lang/Object;

• 數(shù)組類型：每一維用一個(gè)前置?[?表示 示例：boolean regionMatch(int, String, int, int)對應(yīng)描述符為?(ILjava/lang/String;II)Z

• methods_count, methods：方法表；完整描述各成員方法的修飾符、參數(shù)列表、返回值等簽名信息

method_info?{
u2?????????????access_flags;?????//?訪問標(biāo)記
u2?????????????name_index;???????//?方法名
u2?????????????descriptor_index;?//?方法描述符
u2?????????????attributes_count;?//?方法屬性表
attribute_info?attributes[attributes_count];
}

字段表、方法表都可以帶多個(gè)屬性表，如常量字段表、方法字節(jié)碼指令表、方法異常表等。屬性模板：

attribute_info?{
u2?attribute_name_index;???//?屬性名
u4?attribute_length;???????//?屬性數(shù)據(jù)長度
u1?info[attribute_length];?//?其他字段，各屬性的結(jié)構(gòu)不同
}

屬性有 20+ 種，此處只記錄常見的三種

• Code 屬性：存儲方法編譯后的字節(jié)碼指令

Code_attribute?{
??u2?attribute_name_index;?//?屬性名，指向的?Utf8_info?值固定為?"Code"
??u4?attribute_length;?????//?剩下字節(jié)長度
??u2?max_stack;??//?操作數(shù)棧最大深度，對于此方法的棧幀中操作數(shù)棧的深度
??u2?max_locals;?//?以?slot?變量槽為單位的局部變量表大小，存儲隱藏參數(shù)?this，實(shí)參列表，catch?參數(shù)，局部變量等
??u4?code_length;???????//?字節(jié)碼指令總長度
??u1?code[code_length];?//?JVM?指令集大小?200+，單個(gè)指令的編號用?u1?描述
??u2?exception_table_length;?//?異常表，描述方法內(nèi)各指令區(qū)間產(chǎn)生的異常及其?handler?地址
??{???u2?start_pc;???//?catch_type?類型的異常，會在?[start_pc,?end_pc)?指令范圍內(nèi)拋出
??????u2?end_pc;???
??????u2?handler_pc;?//?若拋出此異常，則?goto?到?handler_pc?處執(zhí)行
??????u2?catch_type;
??}?exception_table[exception_table_length];
??u2?attributes_count;?//?Code?屬性自己的屬性
??attribute_info?attributes[attributes_count];
}

• LineNumberTable 屬性：記錄 Java 源碼行號與字節(jié)碼行號的對應(yīng)關(guān)系，用于拋異常時(shí)顯示堆棧對應(yīng)的行號等信息。可作為 Code 屬性的子屬性

LineNumberTable_attribute?{
??u2?attribute_name_index;?u4?attribute_length;
??u2?line_number_table_length;
??{???u2?start_pc;?????//?字節(jié)碼指令區(qū)間開始位置
??????u2?line_number;??//?對應(yīng)的源碼行號
??}?line_number_table[line_number_table_length];
}

• LocalVariableTable 屬性：記錄 Java 方法中局部變量的變量名，與棧幀局部變量表中的變量的對應(yīng)關(guān)系，用于保留各方法有意義的變量名稱

LocalVariableTable_attribute?{
??u2?attribute_name_index;?u4?attribute_length;
??u2?local_variable_table_length;
??{???u2?start_pc;?//?局部變量生命周期開始的字節(jié)碼偏移量
??????u2?length;???//?向后生命周期覆蓋的字節(jié)碼長度
??????u2?name_index;???????//?變量名
??????u2?descriptor_index;?//?類型描述符
??????u2?index;?//?對應(yīng)的局部變量表中的?slot?索引
??}?local_variable_table[local_variable_table_length];
}

其他屬性直接參考 JVM 文檔

26、示例

源碼：com/cls/Structure.java

package?com.cls;

public?class?Structure?{
public?static?void?main(String[]?args)?{
??System.out.println("hello?world");
}
}

javac -g:lines com/cls/Structure.java?編譯后，參考 javap 反編譯得到的正確結(jié)果，od -x --endian=big Structure.class?得出 class 文件內(nèi)容的十六進(jìn)制表示，解讀如下：

cafe?babe?#?1.??u4?魔數(shù)，標(biāo)識?class?文件類型
0000?0034?#?2.??u2,u2?版本號，52?JDK8?

#?3.?常量池
---1---
001f?#?u2?constant_pool_count，31?項(xiàng)（從?1?開始計(jì)數(shù)，0?預(yù)留）
0a??????#?u1?tag，10，Methoddef_info，成員方法結(jié)構(gòu)?
0006????#?u2?index，6，所屬類的?Class_info?在常量池中的編號???##?java/lang/Object
0011????#?u2?index，17，此方法?NameAndType?編號?????????????##?:()V

---2---
09??????#?9，F(xiàn)ileddef_info，成員變量結(jié)構(gòu)
0012????#?u2?index，18，所屬類?Class_info?編號?????##?java/lang/System
0013????#?u2?index，19，此字段?NameAndType?編號????##?out:Ljava/io/PrintStream

---3---
08??????#?8，String_info，字符串
0014????#?u2?index，20，字面量編號?????##?hello?world

---4---
0a?
0015????#?21????##?java/io/PrintStream
0016????#?22????##?println:(Ljava/lang/String;)V

---5---
07??????#?Class_info，全限定類名
0017????#?u2?index，23，字面量編號?????##?com/cls/Structure

---6---
07??????#?7，Class_info，類引用
0018????#?24????##?java/lang/Object

---7---
01??????#?Utf8_info，UTF8?編碼的字符串
0006????#?u2?length，6，字符串長度
3c?69?6e?69?74?3e?#?字面量值????##?""

---8-16---
01?0003?282956??????????????????????????????????????????##?"()V"
01?0004?436f6465????????????????????????????????????????##?"Code"
01?000f?4c696e654e756d6265725461626c65??????????????????##?"LineNumberTable"
01?0004?6d61696e????????????????????????????????????????##?"main"
01?0016?285b4c6a6176612f6c616e672f537472696e673b2956????##?"([Ljava/lang/String;)V"
01?0010?4d6574686f64506172616d6574657273????????????????##?"MethodParameters"
01?0004?61726773????????????????????????????????????????##?"args"
01?000a?536f7572636546696c65????????????????????????????##?"SourceFile"
01?000e?5374727563747572652e6a617661????????????????????##?"Structure.java"

---17---
0c??????#?12，NameAndType，名字及類型描述符
0007????#?u2?index，7，字段或方法名字面量編號????##?
0008????#?u2?index，8，字段或方法結(jié)構(gòu)編號???????##?()V

---18---
07?0019?#?25????##?java/lang/System

---19---
0c
001a?001b???#?26:27????##?out:Ljava/io/PrintStream;

---20---
01?000b?68656c6c6f20776f726c64????##?"hello?world"

---21--
07?001c?#?28????##?java/io/PrintStream

---22--
0c
001d?001e???#?29:30?????????????????????????????##?println:(Ljava/lang/String;)V

---23-31---
01?0011?636f6d2f636c732f537472756374757265??????????##?"com/cls/Structure"
01?0010?6a6176612f6c616e672f4f626a656374????????????##?"java/lang/Object?"
01?0010?6a6176?612f?6c61?6e67?2f53?7973?7465?6d?????##?"java/lang/System"
01?0003?6f7574??????????????????????????????????????##?"out"
01?0015?4c6a6176612f696f2f5072696e7453747265616d3b??##?"Ljava/io/PrintStream;"
01?0013?6a6176612f696f2f5072696e7453747265616d??????##?"java/io/PrintStream"
01?0007?7072696e746c6e??????????????????????????????##?"println"
01?0015?284c6a6176612f6c616e672f537472696e673b2956??##?"(Ljava/lang/String;)V"

0021?#?4.?u2，access_flags???????????????????????????##?ACC_PUBLIC?|?ACC_SUPER
0005?#?5.?u2,?this_class,5???????????????????????????##?--5.Class_info-->?com/cls/Structure
0006?#?6.?u2,?super_class,?6?????????????????????????##?--6.Class_info-->?java/lang/Object?
0000?#?7.?u2,?interface_count,?0
0000?#?8.?u2,?fields_count,?0

0002?#?9.?methods?count,?2
??#?方法一
0001????#?u2,?access_flags,?ACC_PUBLIC?????????????????
0007????#?u2,?name_index,?7?????????????????????????##??
0008????#?u2,?descriptor_index,?8???????????????????##?()V??????????????????????????
0001????#?u2,?attribute_count,?1?????????????????????????????
0009????????#?u2,?attribute_name_index,?9???????????##?Code?屬性
0000?001d???#?u4,?attribute_length,?30?
0001????????#?u2,?max_stack,?1????????????????????????????????
0001????????#?u2,?max_locals,?1????????????????????????????
0000?0005??#?u4,?code_array_length,?5????????????????????????
2a???????????????#?u1,?aload_0???????????????????????##?將第?0?個(gè)?slot?中的變量?this?入棧?
b7???0001????????#?u1,?invokespecial?????????????????##?執(zhí)行從?Object?繼承的?
b1???????????????#?u1,?return????????????????????????##?返回?void
0000????????#?u2,?exception_table_length,?0??????????##?exception?table?為空，無異常
0001????????#?u2,?attributes_count,?1????????????????##?Code?屬性本身的子屬性
000a????????????#?10????????????????????????????????????##?LineNumberTable?屬性
0000?0006???????#?6
0001????????????#?u2,?line_number_table_length,?1
0000????????????????#?u2,?start_pc,?0
0003????????????????#?u2,?line_number,?3
??#?方法二
0009????#?access_flags???????????????????????????????##?ACC_PIBLIC?|?ACC_STATIC
000b????#?name_index,?11?????????????????????????????##?main
000c????#?descriptor_index,?12???????????????????????##?([Ljava/lang/String;)V
0002????#?attribute_count,?2
0009????????#?attribute_name_index,?9????????????????##?Code
0000?0025??#?attribute_length,?37
0002????????#?max_stack,?2?
0001????????#?max_locals,?1
0000?0009??#?code_array_length,?9
b2???0002???????#?getstatic,?2???????????????????????##?Field:?java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;?//?加載靜態(tài)對象變量
12???03?????????#?ldc,?3?????????????????????????????##?String:?"hello?world"??//?將常量參數(shù)入棧
b6???0004???????#?invokevirtual,?4???????????????????##?Method:?java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V?//?執(zhí)行方法
b1??????????????#?return
0000????????#?exception_table_length,?0
0001????????#?attributes_count,?1
000a????????#?10?????????????????????????????????????##?LineNumberTable
0000?000a???#?10
0002????????????#?line_number_table_length,?2
0000?0005???????????#?0?->?5
0008?0006???????????#?8?->?6

27、字節(jié)碼指令

JVM 面向操作數(shù)棧（operand stack）設(shè)計(jì)了指令集，每個(gè)指令由 1 字節(jié)的操作碼（opcode）表示，其后跟隨 0 個(gè)或多個(gè)操作數(shù)（operand），指令集列表參考 Java bytecode instruction listings

• 大部分與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的指令，其操作碼符號都會帶類型前綴，如 i 前綴表示操作 int，剩余對應(yīng)關(guān)系為?b:byte, c:char, s:short, f:float, d:double, l:long, a:reference
• 由于指令集大小有限（256個(gè)），故?boolean, byte, char, short?會被轉(zhuǎn)為int運(yùn)算

字節(jié)碼可大致分為六類：

• 加載和存儲指令：將變量從局部變量表 slot 加載到操作數(shù)棧的棧頂，反向則是存儲

//?將?slot?0,1,2,3,N?加載到棧頂，T?表示類型簡記前綴，可取?i,l,f,d,a
Tload_0,?Tload_1,?Tload_2,?Tload_3,?Tload?n
//?將棧頂數(shù)據(jù)寫回指定的?slot
Tstore_0,?Tstore_1,?Tstore_2,?Tstore_3,?Tstore?n
//?將不同范圍的常量值加載到棧頂，由于?0~5?常量過于常用，有單獨(dú)對應(yīng)的指令，ldc?則加載普通常量
bipush,?sipush,?Tconst_[0,1,2,3,4,5],?aconst_null,?ldc

• 運(yùn)算指令

Tadd, Tsub, Tmul, Tdiv, Trem ????//?算術(shù)運(yùn)算：加減乘除，取余
Tneg, Tor, Tand, Txor ???????????//?位運(yùn)算：取反、或、與、異或
dcmpg, dcmpl, fcmpg, fcmpl, lcmp //?比較運(yùn)算：后綴 g 即 greater, l 即 less than
iinc?????????????????????????????//?局部自增運(yùn)算，與?iload?搭配使用

• 強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換指令：窄化轉(zhuǎn)換為 T 類型（長度為 N）時(shí)，會直接丟棄除了低 N 位外的其他位，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出、正負(fù)號不確定，浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)整型則會丟失精度

i2b?//?int?->?byte
i2c,?i2s;?l2i,?f2i,?d2i;?d2l,?f2l;?d2f

• 對象創(chuàng)建與訪問指令：類實(shí)例、數(shù)組都是對象，存儲結(jié)構(gòu)不同，創(chuàng)建和訪問指令有所區(qū)別

new??????????????????????????????????????//?創(chuàng)建類實(shí)例
newarray,?annewarray,?multianewarry??????//?創(chuàng)建基本類型數(shù)組、引用類型數(shù)組、多維引用類型數(shù)組
getfield, putfield; getstatic, putstatic //?讀寫類實(shí)例字段；讀寫類靜態(tài)字段
Taload, Tastore; arraylength ????????????//?讀寫數(shù)組元素；計(jì)算數(shù)組長度
instanceof; checkcast ???????????????????//?校驗(yàn)對象是否為類實(shí)例；執(zhí)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換

• 操作數(shù)棧管理指令

pop,?pop2???????//?彈出棧頂?1，2?元素
dup, dup2; swap //?復(fù)制棧頂 1，2 個(gè)元素并重新入棧；交換棧頂兩個(gè)元素

• 控制轉(zhuǎn)移指令：判斷條件成立，則跳轉(zhuǎn)到指定的指令行（修改 PC 指向）

if_?//?整型比較，引用相等性判斷
if?????????????????????????????//?搭配其他類型的比較運(yùn)算指令使用

• 方法調(diào)用與返回指令

invokevirtual???//?根據(jù)對象的實(shí)際類型進(jìn)行分派，調(diào)用對應(yīng)的方法（比如繼承后方法重寫）?
invokespecial???//?調(diào)用特殊方法，如?()V,?()V?等初始化方法、私有方法、父類方法
invokestatic????//?調(diào)用類的靜態(tài)方法
invokeinterface?//?調(diào)用接口方法（實(shí)現(xiàn)接口的類對象，但被聲明為接口類型，調(diào)用方法）
invokedynamic???//?TODO
Treturn,?return?//?返回指定類型，返回?void

• 異常處理指令：athrow?拋出異常，異常處理則由 exception_table 描述

• 同步指令：synchronized 對象鎖由?monitorenter, monitorexit?搭配對象的 monitor 鎖共同實(shí)現(xiàn)

28、類加載

29、類加載過程

1. 加載

原理：委托 ClassLoader 讀取 Class 二進(jìn)制字節(jié)流，載入到方法區(qū)內(nèi)存，并在堆內(nèi)存中生成對應(yīng)的java.lang.Class對象相互引用

2. 驗(yàn)證

校驗(yàn)字節(jié)流確保符合 Class 文件格式，執(zhí)行語義分析確保符合 Java 語法，校驗(yàn)字節(jié)碼指令合法性

3. 準(zhǔn)備

在堆中分配類變量（static）內(nèi)存并初始化為零值，主義還沒到執(zhí)行 putstatic 指令賦值的初始化階段，但靜態(tài)常量屬性除外：

public?class?ClassX?{
final?static?int?n?=?2;??????????//?常量的值在編譯期就已知，準(zhǔn)備階段完成賦值，值存儲在?ConstantValue
final?static?String?str?=?"str";?//?字符串靜態(tài)常量同理
}

static?final?java.lang.String?str;
descriptor:?Ljava/lang/String;
flags:?ACC_STATIC,?ACC_FINAL
ConstantValue:?String?str

4. 解析

將常量池中的符號引用（Class_info, Fieldref_info, Methodref_info）替換為直接引用（內(nèi)存地址）

5. 初始化

javac 會從上到下合并類中 static 變量賦值、static 語句塊，生成類構(gòu)造器()V，在初始化階段執(zhí)行，此方法的執(zhí)行由 JVM 保證線程安全；注意 JVM 規(guī)定有且僅有的，會立即觸發(fā)對類初始化的六種 case

public?class?ClassX?{
static?{
??println("main?class?ClassX?init");?//?1.?main()?所在的主類，總是先被初始化
}

public?static?void?main(String[]?args)?throws?Exception?{
??//?首次會觸發(fā)類的初始化
??//?SubX?b?=?new?SubX();??//?new?對象?//?2.?new,?getsatic,?putstatic,?invokestatic?指令
??//?println(SuperX.a);????//?讀寫類的?static?變量，或調(diào)用?static?方法?
??//?println(SubX.c);??????//?3.?子類初始化，會觸發(fā)父類初始化
??//?println(SubX.a);??????//????子類訪問父類的靜態(tài)變量，只會觸發(fā)父類初始化
??
??//?不會觸發(fā)類的初始化
??//?println(SubX.b);??????//?1.?訪問類的靜態(tài)常量（基本類型、字符串字面量）
??//?println(SubX.class);??//?2.?訪問類對象
??//?println(new?SubX[2]);?//?3.?創(chuàng)建類的數(shù)組
}
}

class?SuperX?{
static?int?a?=?0;
static?{
??println("class?SuperX?initiated");
}
}

class?SubX?extends?SuperX?{
final?static?double?b?=?0.1;
static?boolean?c?=?false;
static?{
??println("class?SubX?initiated");
}
}

30、類加載器

層級關(guān)系

雙親委派機(jī)制

• 原理：一個(gè)類加載器收到加載某個(gè)類的請求時(shí)，會先委派上層的父類加載器去加載，逐層向上，當(dāng)父類加載器逐層向下反饋都無法加載此類后，該類加載器才會嘗試自己加載；此模型保證了，諸如 rt.jar 中的java.lang.Object類，不論在底層哪種類加載器中都一定是被 Bootstrap 類加載器加載， JVM 中僅此一份，保證了一致性

• 實(shí)現(xiàn)

//?java/lang/ClassLoader
protected?Class?loadClass(String?name,?boolean?resolve)?throws?ClassNotFoundException?{
????synchronized?(getClassLoadingLock(name))?{
????????//?1.?先檢查自己的加載器是否已加載此類
????????Class?c?=?findLoadedClass(name);
????????if?(c?==?null)?{
????????????long?t0?=?System.nanoTime();
????????????try?{
????????????????if?(parent?!=?null)?{
????????????????????//?2.?還有上層則委派給上層去加載
????????????????????c?=?parent.loadClass(name,?false);
????????????????}?else?{
????????????????????//?3.?如果沒有上級，則委派給?Bootstrap?加載
????????????????????c?=?findBootstrapClassOrNull(name);
????????????????}
????????????}?catch?(ClassNotFoundException?e)?{
????????????????//?類不存在
????????????}

????????????if?(c?==?null)?{
????????????????//?4.?到自己的?classpath?中查找類，用戶自定義?ClassLoader?自定義了查找規(guī)則
????????????????long?t1?=?System.nanoTime();
????????????????c?=?findClass(name);
????????????}
????????}
????????if?(resolve)?{
????????????resolveClass(c);
????????}
????????return?c;
????}
}

31、字節(jié)碼執(zhí)行引擎

32、運(yùn)行時(shí)棧幀結(jié)構(gòu)

public?static?void?main(String[]?args)?{
int?a?=?1008611;
int?b?=?++a;
}

對應(yīng)運(yùn)行時(shí)棧幀結(jié)構(gòu)：

• 局部變量表：大小在編譯期確定，用于存放實(shí)參和局部變量，以大小為 32 bit 的變量槽為最小單位

• long, double 類型被切分為 2 個(gè) slot 同時(shí)讀寫（單線程操作，無線程安全問題）

• 類對象調(diào)用方法時(shí)，slot 0 固定為當(dāng)前對象的引用，即this隱式實(shí)參

• 變量槽有重用優(yōu)化，當(dāng) pc 指令超出某個(gè)槽中的變量的作用域時(shí)，該槽會被其他變量重用

public?static?void?main(String[]?args)?{
??{
??????byte[]?buf?=?new?byte[10?*?1024?*?1024];
??}
??System.gc();??//?buf?還在局部變量表的?slot?0?中，作為?GC?Root?無法被回收
??//?int?v?=?0;?//?變量?v?重用?slot?0，gc?生效
??//?System.gc();?

• 操作數(shù)棧：最大深度在編譯期確定，與局部變量表配合入棧、執(zhí)行指令、出棧來執(zhí)行字節(jié)碼指令

• 返回地址：遇到return?族指令則正常調(diào)用完成，發(fā)生異常但異常表中沒有對應(yīng)的 handler 則異常調(diào)用完成；正常退出到上層方法后，若有返回值則壓入棧，并將程序計(jì)數(shù)器恢復(fù)到方法調(diào)用指令的下一條指令

33、方法調(diào)用

34、虛方法、非虛方法

非虛方法：編譯期可知（程序運(yùn)行前就唯一確定）、且運(yùn)行期不可變的方法，在類加載階段就會將方法的符號引用解析為直接引用。有 5 種：

• 靜態(tài)方法（與類唯一關(guān)聯(lián)）：invokestatic調(diào)用
• 私有方法（外部不可訪問）、構(gòu)造器方法、父類方法：invokespecial調(diào)用
• final 方法（無法被繼承）：由invokevirtual調(diào)用（歷史原因）

public?class?StaticResolution?{
?public?static?void?doFunc()?{
??System.out.println("do?func...");
?}
?public?static?void?main(String[]?args)?{
??StaticResolution.doFunc();
?}
}

stack=0,?locals=1,?args_size=1????//?靜態(tài)方法的調(diào)用版本，在編譯時(shí)就以常量的形式，存入字節(jié)碼的參數(shù)
0:?invokestatic??#5???????????//?Method?doFunc:()V
??3:?return

虛方法：需在運(yùn)行時(shí)動態(tài)確定直接引用的方法，由invokevirtual, invokeinterface調(diào)用

35、靜態(tài)分派、動態(tài)分派

背景：方法可被重載（參數(shù)類型不同，或數(shù)量不同）、可被重寫（子類繼承后覆蓋）

分派：對象可聲明為類、父類、實(shí)現(xiàn)的接口等類型，當(dāng)對象作為實(shí)參或調(diào)用方法時(shí)，需根據(jù)其靜態(tài)類型或?qū)嶋H類型，才能確定要調(diào)用的方法的版本，進(jìn)而確定其直接引用。此過程即方法的分派

reference 變量的 2 種類型

• 靜態(tài)類型：變量被聲明的類型，不會改變，編譯期可知
• 實(shí)際類型：變量指向的對象可被替換，運(yùn)行時(shí)隨時(shí)可能修改

靜態(tài)分派

• 原理：方法重載時(shí)，依賴參數(shù)的靜態(tài)類型，來確定要使用哪個(gè)重載版本的方法
• 特點(diǎn)：發(fā)生在編譯階段，由 javac 確定類型“匹配度最高的”重載版本，來作為invokevirtual的參數(shù)

public?class?StaticDispatch?{
?static?abstract?class?Human?{}
?static?class?Man?extends?Human?{}
?static?class?Woman?extends?Human?{?}

?public?void?f(Human?human)?{System.out.println("f(Human)");}
?public?void?f(Man?man)?{System.out.println("f(Man)");}
?public?void?f(Woman?woman)?{System.out.println("f(Woman)");}

?public?static?void?main(String[]?args)?{
??Human?man?=?new?Man();?????//?靜態(tài)類型都是?Human
??Human?woman?=?new?Woman();?//?實(shí)際類型分別為?Man,?Woman
??StaticDispatch?sd?=?new?StaticDispatch();
??sd.f(man);???//?f(Human)?//?invokevirtual?#13?//?Method?f:(Lcom/ch08/StaticDispatch$Human;)V
??sd.f(woman);?//?f(Human)?//?編譯期就已確定重載版本，寫入字節(jié)碼中
?}
}

動態(tài)分派

• 原理：方法重寫時(shí)，依賴 Receiver 對象的實(shí)際類型，來確定要使用哪個(gè)類版本的方法

• 特點(diǎn)：發(fā)生在運(yùn)行時(shí)，依賴invokevirtual指令來確定調(diào)用方法的版本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多態(tài)，解析流程為

注：類的方法查找是高頻操作，JVM 會在方法區(qū)中為類建一張?zhí)摲椒ū?vtable，以實(shí)現(xiàn)方法的快速查找

public?class?DynamicDispatch?{
static?abstract?class?Human?{
????protected?abstract?void?f();
}

static?class?Man?extends?Human?{
????@Override
????protected?void?f()?{
????????System.out.println("Man?f()");
????}
}

static?class?Woman?extends?Human?{
????@Override
????protected?void?f()?{
????????System.out.println("Woman?f()");
????}
}

public?static?void?main(String[]?args)?{
????Human?man?=?new?Man();?//?雖然靜態(tài)類型都是?Human
????Human?woman?=?new?Woman();
????man.f();???//?Man?f()???//?invokevirtual?#6?//?Method?com/ch08/DynamicDispatch$Human.f:()V
????woman.f();?//?Woman?f()?//?雖然字節(jié)碼指令的參數(shù)，都是靜態(tài)類型方法的符號引用
????man?=?new?Woman();
????man.f();?//?Woman?f()?//?但?invokevirtual?會根據(jù)?Receiver?實(shí)際類型，在運(yùn)行時(shí)解析到實(shí)際類的直接引用
}
}

注意，類的字段讀寫指令getfield, putfield沒有invokevirtual的動態(tài)分派機(jī)制，即子類的同名字段會直接覆蓋父類的字段。示例：

public?class?FieldHasNoPolymorphic?{
static?class?Father?{
????public?int?money?=?1;
????public?Father()?{
????????money?=?2;
????????showMoney();
????}
????public?void?showMoney()?{?System.out.println("Father,?money?=?"?+?money);?}
}

static?class?Son?extends?Father?{
????public?int?money?=?3;?//?子類字段在類加載的準(zhǔn)備階段被賦零值
????public?Son()?{?//?子類構(gòu)造器第一行默認(rèn)隱藏調(diào)用?super()
????????money?=?4;
????????showMoney();
????}
????public?void?showMoney()?{?System.out.println("Son,?money?=?"?+?money);?}
}

public?static?void?main(String[]?args)?{
????Father?guy?=?new?Son();?
????System.out.println("guy,?money?=?"?+?guy.money);
}
}

//?Son,?money?=?0?//?Father?類構(gòu)造器執(zhí)行，動態(tài)分派執(zhí)行了?Son::showMoney()
//?Son,?money?=?4?//?Son?類構(gòu)造器中訪問最新的、自己的?money?字段
//?guy,?money?=?2?//?字段的讀寫沒有動態(tài)分派，靜態(tài)類型是誰，就訪問誰的字段

36、單分派、多分派

方法的 Receiver，與方法的參數(shù)，都是方法的宗量，根據(jù)一個(gè)宗量來選擇目標(biāo)方法稱為單分派，需要多個(gè)宗量才能確定方法的叫多分派

• 靜態(tài)分派機(jī)制會讓編譯器在編譯階段，對重載的多個(gè)方法，會選出參數(shù)匹配度最高的作為目標(biāo)方法
• 動態(tài)分派機(jī)制在運(yùn)行時(shí)，依賴 Receiver 實(shí)際類型，配合invokevirtual定位唯一的實(shí)例方法作為目標(biāo)方法

綜上兩點(diǎn)，Java 是靜態(tài)多分派、動態(tài)單分派的語言

注明：第 10,11 章講 Java 的前后端編譯，學(xué)習(xí)了自動裝箱等常見語法糖的字節(jié)碼實(shí)現(xiàn)，其余部分待有空搭配龍書一起學(xué)；第 12,13 章內(nèi)容與《Java Concurrency In Practice》等書重合度較高，此處不再贅述

37、總結(jié)

學(xué)習(xí)《深入理解 JVM 3ed》，初步掌握了 JVM 內(nèi)存區(qū)域的劃分模型、GC 算法理論及常見回收器原理、Class 文件結(jié)構(gòu)中各數(shù)據(jù)項(xiàng)解釋、類加載流程、方法的執(zhí)行與分派等五大方面的知識，收獲頗豐。不過大部分都是理論，若有機(jī)會還是要研究下 openjdk 的源碼實(shí)現(xiàn) :(