Java高级编程：深入理解Java虚拟机（值得收藏）

Posted 2021-04-30 Java编程专栏

 这篇文章的难度较大，是Java高级编程核心技术，知识面比较广，深度也比较深。不是一般杂文小说，理解起来实属不易，但是如果你认真读，一定是收获很大的，想超越很多Java学习小伙伴吗？就好好理解Java虚拟机吧！满满的干货，值得收藏。

线程隔离：线程隔离的意思，就是给不同的线程多分配的资源用，以做到不争用。

线程共享：线程共享就是资源只有一个没有办法分配更多，只能共享。

一、运行时数据区域

Java虚拟机管理的内存包括几个运行时数据内存：方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆、程序计数器，其中方法区和堆是由线程共享的数据区，其他几个是线程隔离的数据区。

Java 虚拟机架构图

1.1 程序计数器

线程私有的内存：

由于java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现，在任何一个确定的时间，一个处理器(对多核处理器来说是一个内核)只会执行一条线程中的指令。因此为了为了线程切换能够恢复到正确的执行位置上，每条线程都有一个独立的线程计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们叫这类内存区域线程私有的内存。

 1.2 Java虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

栈内存就是虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表的部分。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个局部变量空间，其余的数据类型只占用1个。

局部变量表所需的内存空间在编译器间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机规范对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。如果虚拟机扩展时无法申请到足够的内存，就会跑出OutOfMemoryError异常。

1.3 本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈发挥的作用是非常类似的，他们的区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryErroy异常。

1.4 Java堆

堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建，此内存区域的唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。所有的对象实例和数组都在堆上分配。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。Java堆细分为新生代和老年代。不管怎样，划分的目的都是为了更好的回收内存，或者更快地分配内存。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。如果在堆中没有完成实例分配，并且堆也无法在扩展时将会抛出OutOfMemoryError异常。

1.5 方法区

方法区它用于储存已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

除了Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryErroy异常。

1.6 运行时常量池

它是方法区的一部分。Class文件中除了有关的版本、字段、方法、接口等描述信息外、还有一项信息是常量池，用于存放编辑期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

Java语言并不要求常量一定只有编辑期才能产生，也就是可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

二、hotspot虚拟机对象

2.1 对象的创建

1.检查 

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在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、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

2.分配内存 

接下来将为新生对象分配内存，对象所需内存在类加载完毕之后就可以完全确定，为对象分配内存空间的任务等同于把一块确定的大小的内存从Java堆中划分出来。

假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存放在一遍，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针指向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这个分配方式叫做“指针碰撞”。

如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在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，并更新列表上的记录，这种分配方式成为“空闲列表”。

选择那种分配方式由Java堆是否规整决定，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。

3. Init

执行new指令之后会接着执行Init方法，进行初始化，这样一个对象才算产生出来。

2.2 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中储存的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

对象头包括两部分：

a) 储存对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分带年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳。

b) 另一部分是指类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。

2.3 对象的访问定位

1、使用句柄访问

2、使用直接指针访问

 优势：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

 

三、OutOfMemoryError 异常（OOM）

3.1 Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断的创建对象，并且保证GCRoots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。

如果不存在泄露，换句话说，就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

对于HotSpot来说，虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但实际上是无效的，栈容量只由-Xss参数设定。关于虚拟机栈和本地方法栈，在Java虚拟机规范中描述了两种异常：

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError。

如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

在单线程下，无论由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。

如果是多线程导致的内存溢出，与栈空间是否足够大并不存在任何联系，这个时候每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。解决的时候是在不能减少线程数或更换64为的虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。

3.3 方法区和运行时常量池溢出

String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。

由于常量池分配在永久代中，可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。

Intern():

JDK1.6 intern方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上，所以必然不是一个引用。

JDK1.7 intern()方法的实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。

 四、垃圾收集

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭，在这几个区域内就不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。

1.判断对象存活

4.1.1 引用计数器法

给对象添加一个引用计数器，每当由一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

4.1.2 可达性分析算法

通过一系列的成为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径成为引用链，当一个对象到GC ROOTS没有任何引用链相连时，则证明此对象时不可用的。

Java语言中GC Roots的对象包括下面几种：

1.虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

2.方法区中类静态属性引用的对象。

3.方法区中常量引用的对象。

4.本地方法栈JNI（Native方法）引用的对象。

2.引用

强引用就是在程序代码之中普遍存在的，类似Object obj = new Object() 这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

软引用用来描述一些还有用但并非必须的元素。对于它在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收，如果这次回收还没有足够的内存才会抛出内存溢出异常。

弱引用用来描述非必须对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，被引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前，当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够都会回收掉只被弱引用关联的对象。

虚引用的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

3.Finalize方法

任何一个对象的finalize()方法都只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会被再次执行，因此第二段代码的自救行动失败了

4.3.1 回收方法区

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

废弃常量：假如一个字符串abc已经进入了常量池中，如果当前系统没有任何一个String对象abc，也就是没有任何Stirng对象引用常量池的abc常量，也没有其他地方引用的这个字面量，这个时候发生内存回收这个常量就会被清理出常量池。

无用的类：

1.该类所有的实例都已经被回收，就是Java堆中不存在该类的任何实例。

2.加载该类的ClassLoader已经被回收。

3.该类对用的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法再任何地方通过反射访问该类的方法。

4.垃圾收集算法。

4.4.1 标记—清除算法

算法分为标记和清除两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。

不足:一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，标记清楚之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后再程序运行过程中需要分配较大的对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

4.4.2 复制算法

他将可用内存按照容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可。

不足：将内存缩小为了原来的一半。

实际中我们并不需要按照1:1比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。

当另一个Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。

4.4.3 标记整理算法

让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

4.4.4 分代收集算法

只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用标记清理或者标记整理算法来进行回收。

5.垃圾收集器

a)Serial收集器：

这个收集器是一个单线程的收集器，但它的单线程的意义不仅仅说明它会只使用一个COU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它手机结束。

b)ParNew 收集器：

Serial收集器的多线程版本，除了使用了多线程进行收集之外，其余行为和Serial收集器一样。

并行：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。

并发：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（不一定是并行的，可能会交替执行），用户程序在继续执行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

c)Parallel Scavenge 

收集器是一个新生代收集器，它是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器。

吞吐量：就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值。即吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）。

d)Serial Old 收集器：

是Serial收集器的老年代版本,是一个单线程收集器，使用标记整理算法。

e)Parallel Old 收集器：

Parallel Old是Paraller Seavenge收集器的老年代版本，使用多线程和标记整理算法。

f)CMS收集器：

CMS收集器是基于标记清除算法实现的，整个过程分为4个步骤：

1.初始标记2.并发标记3.重新标记4.并发清除。

优点：并发收集、低停顿

缺点：

1.CMS收集器对CPU资源非常敏感，CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/4，

2.CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现Failure失败而导致一次Full G场地产生。

3.CMS是基于标记清除算法实现的。

g)G1收集器：

它是一款面向服务器应用的垃圾收集器。

1.并行与并发：利用多CPU缩短STOP-The-World停顿的时间。

2.分代收集。

3.空间整合：不会产生内存碎片。

4.可预测的停顿。

运作方式：初始标记，并发标记，最终标记，筛选回收。

6.内存分配与回收策略。

4.6.1 对象优先在Eden分配：

大多数情况对象在新生代Eden区分配，当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。

4.6.2 大对象直接进入老年代：

所谓大对象就是指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组。这样做的目的是避免Eden区及两个Servivor之间发生大量的内存复制。

4.6.3长期存活的对象将进入老年代。

如果对象在Eden区出生并且尽力过一次Minor GC后仍然存活，并且能够被Servivor容纳，将被移动到Servivor空间中，并且把对象年龄设置成为1.对象在Servivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认15岁），就将会被晋级到老年代中。

4.6.4动态对象年龄判定

为了更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋级到老年代，如果在Servivor空间中相同年龄所有对象的大小总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入到老年代，无须登到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

4.6.4 空间分配担保：

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总空间，如果这个条件成立，那么Minor DC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于晋级到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次Minor GC，尽管这次MinorGC 是有风险的：如果小于，或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次Full GC。

五、虚拟机类加载机制

虚拟机吧描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

在Java语言里面，类型的加载。连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的。

5.1 类加载的时机

类被加载到虚拟机内存中开始，到卸载为止，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以再初始化阶段之后再开始，这个是为了支持Java语言运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。

虚拟机规范规定有且只有5种情况必须立即对类进行初始化：

1.遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。

2.使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3.当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

4.当虚拟机启动时候，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

5.当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

被动引用：

1.通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

2.通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。

3.常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

接口的初始化：接口在初始化时，并不要求其父接口全部完成类初始化，只有在正整使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

5.2 类加载的过程

5.2.1 加载

1)通过一个类的全限定名类获取定义此类的二进制字节流。

2)将这字节流所代表的静态存储结构转化为方法区运行时数据结构。

3)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。

怎么获取二进制字节流？

1)从ZIP包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。

2)从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet。

3)运行时计算生成，这种常见使用得最多的就是动态代理技术。

4)由其他文件生成，典型场景就是JSP应用。

5)从数据库中读取，这种场景相对少一些（中间件服务器）数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。

数组类的创建过程遵循以下规则：

1)如果数组的组件类型(指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型，那就递归采用上面的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。

2)如果数组的组件类型不是引用类型(列如int[]组数)，Java虚拟机将会把数组C标识为与引导类加载器关联。

3)数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

5.2.2 验证

验证阶段会完成下面4个阶段的检验动作：文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

1.文件格式验证

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这一阶段可能包括：

1.是否以魔数oxCAFEBABE开头。

2.主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。

3.常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)。

4.指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量

5.CONSTANT_Itf8_info 型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。

6.Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。

这个阶段的验证时基于二进制字节流进行的，只有通过类这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2.元数据验证

1.这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有的类都应当有父类)。

2.这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。

3.如果这个类不是抽象类，是否实现类其父类或接口之中要求实现的所有方法。

4.类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(列如覆盖类父类的final字段,或者出现不符合规则的方法重载，列如方法参数都一致，但返回值类型却不同等)。

第二阶段的主要目的是对类元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

3.字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的似乎通过数据流和控制流分析，确定程序语言是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。

1.保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，列如，列如在操作数栈放置类一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中。

2.保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

3.保证方法体中的类型转换时有效的，列如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这个是安全的，但是吧父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。

4.符号引用验证。

发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。

1.符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到相对应的类。

2.在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段

3.符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问。

对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是非常重要的，但是不一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。如果全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用Xverify：none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

5.2.3 准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量都在方法区中进行分配。这个时候进行内存分配的仅包括类变量(被static修饰的变量)，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。其次，这里说的初始值通常下是数据类型的零值。

假设public static int value = 123；

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行，但是如果使用final修饰，则在这个阶段其初始值设置为123。

5.2.4解析

解析阶段是虚拟机将常量池内符号引用替换为直接引用的过程。

5.2.5 初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才正真开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)。

5.3 类的加载器

5.3.1 双亲委派模型：

只存在两种不同的类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），使用C++实现，是虚拟机自身的一部分。另一种是所有其他的类加载器，使用JAVA实现，独立于JVM，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader.

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），负责将存放在<JAVA+HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所制定的路径中的，并且是JVM识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，如果名字不符合，即使放在lib目录中也不会被加载），加载到虚拟机内存中，启动类加载器无法被JAVA程序直接引用。

扩展类加载器，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

应用程序类加载器（Application ClassLoader），由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般称它为系统类加载器。负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

这张图表示类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation model）. 双亲委派模型要求除了顶层的启动加载类外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。，这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系来复用父类加载器的代码。

5.3.2双亲委派模型的工作过程是：

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都是应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

5.3.3这样做的好处就是：

Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。

就是保证某个范围的类一定是被某个类加载器所加载的，这就保证在程序中同 一个类不会被不同的类加载器加载。这样做的一个主要的考量，就是从安全层 面上，杜绝通过使用和JRE相同的类名冒充现有JRE的类达到替换的攻击方式。

 

六、Java内存模型与线程

6.1内存间的交互操作

关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。

unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。

write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作， 如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存 模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺 序是read a，read b，load b， load a。

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

不允许read和load、store和write操作之一单独出现。

不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。

不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。

一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现。

如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。

如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

6.2 重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器经常会对指令进行重排序。重排序分成三种类型：

1.编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义放入前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

2.指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

3.内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会经过下面三种重排序：

为了保证内存的可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。Java内存模型把内存屏障分为LoadLoad、LoadStore、StoreLoad和StoreStore四种：

6.3 对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：

第一：保证此变量对所有线程的可见性，这里的可见性是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。普通变量的值在线程间传递需要通过主内存来完成

由于valatile只能保证可见性，在不符合一下两条规则的运算场景中，我们仍要通过加锁来保证原子性

1.运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。

2.变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

第二：禁止指令重排序，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中执行顺序一致，这个就是所谓的线程内表现为串行的语义。

Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则。假定T表示一个线程，V和W分别表示两个volatile变量，那么在进行read、load、use、assign、store、write操作时需要满足如下的规则：

1.只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候，线程T才能对变量V执行use动作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候，线程T才能对变量V执行load操作。线程T对变量V的use操作可以认为是与线程T对变量V的load和read操作相关联的，必须一起连续出现。这条规则要求在工作内存中，每次使用变量V之前都必须先从主内存刷新最新值，用于保证能看到其它线程对变量V所作的修改后的值。

2.只有当线程T对变量V执行的前一个动是assign的时候，线程T才能对变量V执行store操作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store操作的时候，线程T才能对变量V执行assign操作。线程T对变量V的assign操作可以认为是与线程T对变量V的store和write操作相关联的，必须一起连续出现。这一条规则要求在工作内存中，每次修改V后都必须立即同步回主内存中，用于保证其它线程可以看到自己对变量V的修改。

3.假定操作A是线程T对变量V实施的use或assign动作，假定操作F是操作A相关联的load或store操作，假定操作P是与操作F相应的对变量V的read或write操作；类型地，假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作，假定操作G是操作B相关联的load或store操作，假定操作Q是与操作G相应的对变量V的read或write操作。如果A先于B，那么P先于Q。这条规则要求valitile修改的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

6.4 对于long和double型变量的特殊规则

Java模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性，但是对于64为的数据类型（long和double），在模型中特别定义了一条相对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作分为两次32为的操作来进行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性

6.5 原子性、可见性和有序性

原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步会主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性，valatile特殊规则保障新值可以立即同步到祝内存中。Synchronized是在对一个变量执行unlock之前，必须把变量同步回主内存中（执行store、write操作）。被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有吧this的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值

可见性：可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

6.6  先行发生原则

这些先行发生关系无须任何同步就已经存在，如果不再此列就不能保障顺序性，虚拟机就可以对它们任意地进行重排序

1.程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确的说，应该是控制顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支。循环等结构

2.管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而后面的是指时间上的先后顺序

3.Volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的后面同样是指时间上的先后顺序

4.线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作

5.线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.joke()方法结束、ThradisAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行

6.线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断时间的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生

7.对象终结规则：一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始

8.传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论

6.7  Java线程调度

协同式调度：线程的执行时间由线程本身控制

抢占式调度：线程的执行时间由系统来分配

6.8 状态转换

1.新建

2.运行：可能正在执行。可能正在等待CPU为它分配执行时间

3.无限期等待：不会被分配CUP执行时间，它们要等待被其他线程显式唤醒

4.限期等待：不会被分配CUP执行时间，它们无须等待被其他线程显式唤醒，一定时间会由系统自动唤醒

5.阻塞：阻塞状态在等待这获取到一个排他锁，这个时间将在另一个线程放弃这个锁的时候发生；等待状态就是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生

6.结束：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行

 

七、线程安全

1、不可变：不可变的对象一定是线程安全的、无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再采取任何的线程安全保障。例如：把对象中带有状态的变量都声明为final，这样在构造函数结束之后，它就是不可变的。

2、绝对线程安全

3、相对线程安全：相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全，它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。

4、线程兼容：对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全使用。

5、线程对立：是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。

7.1 线程安全的实现方法

1.互斥同步：

同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一个（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用。而互斥是实现同步的一种手段，临界区、互斥量和信号量都是主要的互斥实现方式。互斥是因，同步是果：互斥是方法，同步是目的。

在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，它经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有指明，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，对应的在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放。如果获取对象锁失败，哪当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

Synchronized，ReentrantLock增加了一些高级功能。

1.等待可中断：是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助

2.公平锁：是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁；非公平锁则不能保证这一点，在锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。Synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁

3.锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多余一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这样做，只需要多次调用newCondition方法即可

2.非阻塞同步

3.无同步方案

可重入代码：也叫纯代码，可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身）而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。所有的可重入代码都是线程安全的，但是并非所有的线程安全的代码都是可重入的。

判断一个代码是否具备可重入性：如果一个方法，它的返回结果是可预测的，只要输入了相同的数据，就都能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，当然也就是线程安全的。

线程本地存储：如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行？如果能保障，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。

7.2锁优化

适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁

7.2.1 自旋锁与自适应自旋

自旋锁：如果物理机器上有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程稍等一下，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁

自适应自旋转：是由前一次在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自过程，以避免浪费处理器资源。

7.2.2 锁消除

锁消除是指虚拟机即时编辑器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。如果在一段代码中。推上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

7.2.3锁粗化

如果虚拟机检测到有一串零碎的操作都是对同一对象的加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。

7.2.4 轻量级锁

7.2.5 偏向锁

它的目的是消除无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把这个同步都消除掉，CAS操作都不做了。

如果在接下俩的执行过程中，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要在进行同步。

八、逃逸分析

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，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他方法中，成为方法逃逸。甚至还可能被外部线程访问到，比如赋值给类变量或可以在其他线程中访问的实例变量，称为线程逃逸。

如果一个对象不会逃逸到方法或线程之外，也就是别的方法或线程无法通过任何途径访问到这个对象，则可能为这个变量进行一些高效的优化。

栈上分配：如果确定一个对象不会逃逸出方法外，那让这个对象在栈上分配内存将会是一个不错的注意，对象所占用的内存空间就可以随栈帧出栈而销毁。如果能使用栈上分配，那大量的对象就随着方法的结束而销毁了，垃圾收集系统的压力将会小很多。

同步消除：如果确定一个变量不会逃逸出线程，无法被其他线程访问，那这个变量的读写肯定就不会有竞争，对这个变量实施的同步措施也就可以消除掉。

标量替换：标量就是指一个数据无法在分解成更小的数据表示了，int、long等及refrence类型等都不能在进一步分解，它们称为标量。

如果一个数据可以继续分解，就称为聚合量，Java中的对象就是最典型的聚合量

如果一个对象不会被外部访问，并且这个对象可以被拆散的化，那程序正整执行的时候将可能不创建这个对象，而改为直接创建它的若干个被这个方法使用到的成员变量来代替。

如果您能坚持阅读到这里，你学到高级Java编程技术了！