JVM-学习

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JVM 基础学习

ClassLoader SubSystem：

  1. 类加载
  2. 类链接(验证,准备,解析)
  3. 初始化

加载

加载就是读取class文件,并在方法区存储对应的二进制数据,每一个class文件jvm会存储以下信息至方法区：

  1. 类(接口,枚举)的全限定名称
  2. 该类(接口,枚举)的直接父类的全限定名称
  3. class文件是否关联一个类(接口,枚举)
  4. 修饰符信息
  5. 局部变量,成员变量信息
  6. 方法信息
  7. 常量池信息等等

在加载class文件之后,jvm会立即创建一个代表该类的Class对象,以表示堆内存上的类级别的二进制信息.
每一个class文件加载之后只会创建一个代表该类的Class对象,无论你该类你在程序中使用多少次(创建多少次)

链接

  1. 验证

检查类的Class对象的二进制表示是否正确(静态约束和结构化约束),检查class文件是否符合规范,编译版本是否兼容.如果确认文件无误,可以使用jvm参数关闭验证.

  1. 准备

jvm分配静态变量内存空间(变量定义在方法区上,变量的值如果是引用类型则在堆空间,如果是原始类型直接分配在方法区上,值分配在初始化时候),并为静态变量(static)赋默认值(不是初始值,初始值在初始化阶段赋值),如果是类常量(final static)直接赋初始值

  1. 解析

将符号引用替换为直接引用(只会执行一次,这一步是可选的直到符号引用被使用).
符号引用：一组String字符串能唯一定位到所引用的类,变量或者方法.(当一个类编译完成,所有的方法引用,变量引用等等都是以符号引用保存在常量池中).
直接引用：直接指向目标的指针,相对偏移量(java做法),一个能定位到目标地址的句柄.

初始化

这个阶段所有的静态变量会被赋初始值,所有的静态代码块被执行(从上到下,从父类到子类),符合以下任意条件会初始化类：

  1. new 一个该对象
  2. 访问(读取或者设置)该类的静态字段或者调用该类的静态方法
  3. 反射
  4. 初始化类,会先初始化父类
  5. main方法主类,jvm会优先初始化

ClassLoader类型

  1. BootstrapClassLoader
    用c++实现,负责加载jdk->jre->lib->*.jar
  2. ExtensionClassLoader
    由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类实现,负责加载jdk->jre->lib->ext->*.class
  3. ApplicationClassLoader
    由sun.misc.Louncher$AppClassLoader实现,负责加载用户程序的类库(classpath下)

CLassLoader 使用双亲委派机制(delegation hierarchy principle): 当jvm遇到一个类,会先从方法区寻找该类的二进制表示,如果未找到如,则ClassLoader SubSystem会请求Application ClassLoader来加载这个这个类,ApplicationClassLoader会委托给ExtensionClassLoader加载,ExtensionClassLoader会委托给BootstrapClassLoader加载,当父加载器如果无法加载则会在委托给子的加载器加载.
ps: 这里的父子并不具有继承关系,只是上层加载器的引用.

运行时数据区域(Run-Time Data Areas)

Method area

方法区: AKA永久代(1.8之前),AKA MetaSpace(1.8之后);
jvm规范说方法区是逻辑上属于堆空间,可以是非连续性的,可以不需要垃圾回收机制,1.7方法区的实现是堆上的永久代,1.8之后方法区的实现变成了直接在本地内存上分配的元空间(MetaSpace,存储Class类的元数据)
在jvm启动时候就创建,全局共享,它存储每个类的结构,运行时常量池,字段和方法数据,构造函数,包含特殊的初始化方法.
如果方法区中的内存无法满足分配请求,Java 虚拟机将抛出 OutOfMemoryError.

heap

堆: 在jvm启动时候创建,全局共享,堆是运行时数据区,从中分配所有类实例和数组的内存;垃圾回收机制主要是针对该区域回收.
1.7: 新生代,老年代,永久代.
1.8：新生代,老年代.
如果对象需要分配的内存比可回收的内存多,则抛出OutOfMemoryError.

stack

栈：每一个线程都有一个私有的栈,在线程创建时候被创建,栈里面存储着frame(stack frame),frame保存局部变量和部分结果(方法调用过程中产生),参与方法得调用和结果得返回.当一个方法被调用时候frame就会被创建,jvm对栈只有两个操作,psuh and pop
如果线程需要得栈空间大于虚拟机所允许的大小,则抛出StackOverflowError.
如果栈可以动态扩展,而扩展没有足够的内存空间,或者初始化一个新的线程栈时候没有足够的空间,则会抛出OutOfMemoryError.

Run-time Constant pool

运行时常量池：每个类或者接口一个,分配在方法区上.
包含
1.类,接口,方法,动态计算(lambda表达式)的符号引用–基本上等于对应类,接口,方法的全限定名称,但是会多出来一些额外的东西,虚拟机使用这些符号引用找到对应依赖的类.
2.类常量(final static)

如果创建类或者接口的运行时常量池需要的内存大于虚拟机可以使用的内存,则抛出OutOfMemoryError.

Frame

stack frame用于存储局部变量和中间结果以及执行动态链接,方法返回结果,抛出异常.以下简称frame
当一个方法被调用时会创建一个新的frame,当方法调用结束时候(无论正常结束还是异常结束),frame会被销毁.
在任何时候一个线程只会有一个frame被执行,被称作current frame,对应的是当前正在执行的方法.
当一个frame执行时候遇见调用另一个方法,会创建一个对应方法的new frame,new frame将成current frame,然后等待新的方法执行完成,new frame返回结果至之前的frame,然后之前的fram再次成为current frame并且丢弃new frame.

frame分为3个部分,局部变量数组,操作对象栈,帧数据

local variables

每一个frame中包含一个局部变量数组,数组的长度由编译期间方法内的代码确定,存储在class文件二进制的表示信息中(方法区中).
每个数组的槽站4个字节,其中int float reference占用数组的一个槽位,long double类型占用2个槽位,byte char short将会转会为int类型占用一个槽位,boolean类型占用的槽位不同虚拟机实现不同,大部分情况占用1个槽位.

operand stack

操作栈,也是一个栈类型的数据结构,先进后出; 作用是stack的工作空间work space, jvm指令从局部变量数组中获取数据push至操作栈,或者从操作栈中pop数据进行操作,然后在push结果到操作栈,

每个frame都包含一个指向运行时常量池中该frame所属方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接.
在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用,这种转化也称为静态解析.另外的一部分将在运行时转化为直接引用,这部分称为动态链接.

Class 文件结构

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ClassFile {
    u4             magic; //魔法数,固定的,0xCAFEBABE
    u2             minor_version;  //编译次版本,向下兼容
    u2             major_version;  //编译主版本, 向下兼容
    u2             constant_pool_count; //常量池长度
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1]; //静态常量池,运行时生成动态常量池,下标从1开始
    u2             access_flags; //访问权限
    u2             this_class; //常量池中的该类的引用的索引
    u2             super_class; //0或者是常量池中的一个索引,如果是0表示是`Object`类,如果是索引表示父类在常量池中的索引
    u2             interfaces_count; //实现接口的数量
    u2             interfaces[interfaces_count];//接口数组
    u2             fields_count; //总共字段的数量(类变量,成员变量)
    field_info     fields[fields_count];//字段数组
    u2             methods_count; //方法数量
    method_info    methods[methods_count];//方法数组
    u2             attributes_count; //属性数量
    attribute_info attributes[attributes_count]; //属性数组,比较复杂
}

其中u代表字节,u1一个字节,u2两个字节
分析示例：

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public class TestClass {

    private String s = "fffff";

    private static String s2 ="xxxxxx";

    private final String s1 = "fdasg";

    private final int i = 1000001;

    private int j;

    public Thread thread;

    public static void main(String...args){
        TestClass tc = new TestClass();
        tc.start();
    }

    public void start(){
        int iiii = 135;
        thread = new Thread(() -> {
            int jjjj = iiii;
            System.out.println(s1);
            System.out.println(++jjjj);
        });
        thread.start();

    }
}public class TestClass {

    private String s = "fffff";

    private static String s2 ="xxxxxx";

    private final String s1 = "fdasg";

    private final int i = 1000001;

    private int j;

    public Thread thread;

    public static void main(String...args){
        TestClass tc = new TestClass();
        tc.start();
    }

    public void start(){
        thread = new Thread(() -> System.out.println(s1));
        thread.start();

    }
}

编译之后的运行时常量池
这里Constant的意思不是指存储的是常量，而是说是不变的东西，也就是说类的方法，字段名称，字段的值都是编译期间可以知道的，所以这些东西是不变的,这些存储是以静态constant_pool存储(class文件的constant_pool),当jvm启动时候就会将静态的constant_pool转换为runtime constant_pool. 

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> javap -v TestClass.class
 Constant pool:
    #1 = Methodref          #21.#53       // java/lang/Object."<init>":()V
    #2 = String             #54           // fffff
    #3 = Fieldref           #8.#55        // com/interact/jugg/TestClass.s:Ljava/lang/String;
    #4 = String             #56           // fdasg
    #5 = Fieldref           #8.#57        // com/interact/jugg/TestClass.s1:Ljava/lang/String;
    #6 = Integer            1000001
    #7 = Fieldref           #8.#58        // com/interact/jugg/TestClass.i:I
    #8 = Class              #59           // com/interact/jugg/TestClass
    #9 = Methodref          #8.#53        // com/interact/jugg/TestClass."<init>":()V
   #10 = Methodref          #8.#60        // com/interact/jugg/TestClass.start:()V
   #11 = Class              #61           // java/lang/Thread
   #12 = InvokeDynamic      #0:#66        // #0:run:(Lcom/interact/jugg/TestClass;I)Ljava/lang/Runnable;
   #13 = Methodref          #11.#67       // java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
   #14 = Fieldref           #8.#68        // com/interact/jugg/TestClass.thread:Ljava/lang/Thread;
   #15 = Methodref          #11.#60       // java/lang/Thread.start:()V
   #16 = Fieldref           #69.#70       // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #17 = Methodref          #71.#72       // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #18 = Methodref          #71.#73       // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #19 = String             #74           // xxxxxx
   #20 = Fieldref           #8.#75        // com/interact/jugg/TestClass.s2:Ljava/lang/String;
   #21 = Class              #76           // java/lang/Object
   #22 = Utf8               s
   #23 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #24 = Utf8               s2
   #25 = Utf8               s1
   #26 = Utf8               ConstantValue
   #27 = Utf8               i
   #28 = Utf8               I
   #29 = Utf8               j
   #30 = Utf8               thread
   #31 = Utf8               Ljava/lang/Thread;
   #32 = Utf8               <init>
   #33 = Utf8               ()V
   #34 = Utf8               Code
   #35 = Utf8               LineNumberTable
   #36 = Utf8               LocalVariableTable
   #37 = Utf8               this
   #38 = Utf8               Lcom/interact/jugg/TestClass;
   #39 = Utf8               main
   #40 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
   #41 = Utf8               args
   #42 = Utf8               [Ljava/lang/String;
   #43 = Utf8               tc
   #44 = Utf8               MethodParameters
   #45 = Utf8               start
   #46 = Utf8               iiii
   #47 = Utf8               lambda$start$0
   #48 = Utf8               (I)V
   #49 = Utf8               jjjj
   #50 = Utf8               <clinit>
   #51 = Utf8               SourceFile
   #52 = Utf8               TestClass.java
   #53 = NameAndType        #32:#33       // "<init>":()V
   #54 = Utf8               fffff
   #55 = NameAndType        #22:#23       // s:Ljava/lang/String;
   #56 = Utf8               fdasg
   #57 = NameAndType        #25:#23       // s1:Ljava/lang/String;
   #58 = NameAndType        #27:#28       // i:I
   #59 = Utf8               com/interact/jugg/TestClass
   #60 = NameAndType        #45:#33       // start:()V
   #61 = Utf8               java/lang/Thread
   #62 = Utf8               BootstrapMethods
   #63 = MethodHandle       6:#77         // REF_invokeStatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
   #64 = MethodType         #33           //  ()V
   #65 = MethodHandle       7:#78         // REF_invokeSpecial com/interact/jugg/TestClass.lambda$start$0:(I)V
   #66 = NameAndType        #79:#80       // run:(Lcom/interact/jugg/TestClass;I)Ljava/lang/Runnable;
   #67 = NameAndType        #32:#81       // "<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
   #68 = NameAndType        #30:#31       // thread:Ljava/lang/Thread;
   #69 = Class              #82           // java/lang/System
   #70 = NameAndType        #83:#84       // out:Ljava/io/PrintStream;
   #71 = Class              #85           // java/io/PrintStream
   #72 = NameAndType        #86:#87       // println:(Ljava/lang/String;)V
   #73 = NameAndType        #86:#48       // println:(I)V
   #74 = Utf8               xxxxxx
   #75 = NameAndType        #24:#23       // s2:Ljava/lang/String;
   #76 = Utf8               java/lang/Object
   #77 = Methodref          #88.#89       // java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
   #78 = Methodref          #8.#90        // com/interact/jugg/TestClass.lambda$start$0:(I)V
   #79 = Utf8               run
   #80 = Utf8               (Lcom/interact/jugg/TestClass;I)Ljava/lang/Runnable;
   #81 = Utf8               (Ljava/lang/Runnable;)V
   #82 = Utf8               java/lang/System
   #83 = Utf8               out
   #84 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
   #85 = Utf8               java/io/PrintStream
   #86 = Utf8               println
   #87 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
   #88 = Class              #91           // java/lang/invoke/LambdaMetafactory
   #89 = NameAndType        #92:#96       // metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
   #90 = NameAndType        #47:#48       // lambda$start$0:(I)V
   #91 = Utf8               java/lang/invoke/LambdaMetafactory
   #92 = Utf8               metafactory
   #93 = Class              #98           // java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
   #94 = Utf8               Lookup
   #95 = Utf8               InnerClasses
   #96 = Utf8               (Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
   #97 = Class              #99           // java/lang/invoke/MethodHandles
   #98 = Utf8               java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
   #99 = Utf8               java/lang/invoke/MethodHandles
{
  public java.lang.Thread thread;
    descriptor: Ljava/lang/Thread;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC

  public com.interact.jugg.TestClass();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) 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: ldc           #2                  // String fffff
         7: putfield      #3                  // Field s:Ljava/lang/String;
        10: aload_0
        11: ldc           #4                  // String fdasg
        13: putfield      #5                  // Field s1:Ljava/lang/String;
        16: aload_0
        17: ldc           #6                  // int 1000001
        19: putfield      #7                  // Field i:I
        22: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 8: 4
        line 12: 10
        line 14: 16
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      23     0  this   Lcom/interact/jugg/TestClass;

  public static void main(java.lang.String...);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0089) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_VARARGS
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #8                  // class com/interact/jugg/TestClass
         3: dup
         4: invokespecial #9                  // Method "<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: invokevirtual #10                 // Method start:()V
        12: return
      LineNumberTable:
        line 21: 0
        line 22: 8
        line 23: 12
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      13     0  args   [Ljava/lang/String;
            8       5     1    tc   Lcom/interact/jugg/TestClass;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      args

  public void start();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=5, locals=2, args_size=1
         0: sipush        135
         3: istore_1
         4: aload_0
         5: new           #11                 // class java/lang/Thread
         8: dup
         9: aload_0
        10: iload_1
        11: invokedynamic #12,  0             // InvokeDynamic #0:run:(Lcom/interact/jugg/TestClass;I)Ljava/lang/Runnable;
        16: invokespecial #13                 // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
        19: putfield      #14                 // Field thread:Ljava/lang/Thread;
        22: aload_0
        23: getfield      #14                 // Field thread:Ljava/lang/Thread;
        26: invokevirtual #15                 // Method java/lang/Thread.start:()V
        29: return
      LineNumberTable:
        line 26: 0
        line 27: 4
        line 32: 22
        line 34: 29
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      30     0  this   Lcom/interact/jugg/TestClass;
            4      26     1  iiii   I

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: (0x0008) ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: ldc           #19                 // String xxxxxx
         2: putstatic     #20                 // Field s2:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
}

十六进制字节码:

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114
TestClass.class
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000005f0: 1100 873c 2abb 000b 592a 1bba 000c 0000  ...<*...Y*......
00000600: b700 0db5 000e 2ab4 000e b600 0fb1 0000  ......*.........
00000610: 0002 0023 0000 0012 0004 0000 001a 0004  ...#............
00000620: 001b 0016 0020 001d 0022 0024 0000 0016  ..... ...".$....
00000630: 0002 0000 001e 0025 0026 0000 0004 001a  .......%.&......
00000640: 002e 001c 0001 1002 002f 0030 0001 0022  ........./.0..."
00000650: 0000 005f 0002 0003 0000 0015 1b3d b200  ..._.........=..
00000660: 1012 04b6 0011 b200 1084 0201 1cb6 0012  ................
00000670: b100 0000 0200 2300 0000 1200 0400 0000  ......#.........
00000680: 1c00 0200 1d00 0a00 1e00 1400 1f00 2400  ..............$.
00000690: 0000 2000 0300 0000 1500 2500 2600 0000  .. .......%.&...
000006a0: 0000 1500 2e00 1c00 0100 0200 1300 3100  ..............1.
000006b0: 1c00 0200 0800 3200 2100 0100 2200 0000  ......2.!..."...
000006c0: 1e00 0100 0000 0000 0612 13b3 0014 b100  ................
000006d0: 0000 0100 2300 0000 0600 0100 0000 0a00  ....#...........
000006e0: 0300 3300 0000 0200 3400 5f00 0000 0a00  ..3.....4._.....
000006f0: 0100 5d00 6100 5e00 1900 3e00 0000 0c00  ..].a.^...>.....
00000700: 0100 3f00 0300 4000 4100 400a            ..?...@.A.@.

1.cafebabe固定4个字节
2.0000 次版本,无
3.0037 主版本,对应十进制为55,查找版本对照表,为11,具体规则可以查看jvm规范,无非就是什么版本对应什么数字,哪些版本没有次要版本,做了什么兼容设定
4.0064 常量池长度,对应十进制为100,上面常量池示例中正好到序号99.
5.0a 对应常量池第一个变量,cp_info具体结构为:

1
2
3
4
5
cp_info {
    u1 tag;
    u1 info[];
}

所以第一个字符0a对用为10,10对应的cp_info的tag为Method_ref,对应结构如下:

1
2
3
4
5
CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

所以随后的两个字节0015代表着对应的class在常量池中的索引,0015对应的十进制为21,查看上面javap代码可以找到对应#21为java.lang.Object类.
在之后的2个字节0035代表着也对应着常量池中的索引，而该索引处的数据结构必须符合CONSTANT_NameAndType_info,0035对应十进制为53,查看上面javap代码,得到#53是一个NameAndType而且按照对应的结构引用了utf_8结构的#32#33,分别为特殊方法<init>以及返回值()v,世界上就是一个初始化方法.
上述分析对比一下javap反编代码的常量池#1,符合我们的分析.

静态常量池中的CONSTANT_NameAndType_info, CONSTANT_Module_info, and CONSTANT_Package_info, and the foundational structure CONSTANT_Utf8_info不会被转换至动态常量池中,这些结构只会在初始化实例时候间接的使用

后记

简单的jvm入门是完成了,虽然看懂了,但是不知道又什么用,参考了很多文章和书籍,jvm规范是最权威的,但是写的略简单,而博客文章又是千篇一律,互相抄,所以最后总结还是看书加动手实践是最好的.