JVM(类加载机制,虚拟机栈,)

Posted 2020-12-18

类加载子系统

类加载器子系统作用

类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载Class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识。

ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。

类加载过程:加载->验证->准备->解析->初始化

加载:通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
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
验证: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:为类变量分配内存并且设置该类变量(static)的默认初始值，即零值。
上面的变量a在准备阶段会赋初始值，但不是1，而是0。

这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化；

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。
解析:将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
事实上，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。

初始化: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变量的时候，就会有clinit方法

类加载器的分类

JVM支持两种类型的类加载器 。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-D,efined ClassLoader）。
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4个(启动类加载器,扩展类加载器,应用程序类加载器,用户自定义类加载器)，如下所示：

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。并不继承自ava.lang.ClassLoader，没有父加载器。
加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。
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

应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

javI语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现
派生于ClassLoader类
父类加载器为扩展类加载器

用户自定义类加载器

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。
为什么要自定义类加载器？
 隔离加载类
修改类加载的方式

用户自定义类加载器实现步骤：

 1.可以通过继承抽象类java.1ang.ClassLoader类重写findclass（）方法中的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
 2.   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。

双亲委派机制
工作原理

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，直到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。

双亲委派机制的优势

1.避免类的重复加载 (比如重写java.lang.String)
2.保护程序安全，防止核心API被随意篡改 (比如重写java.lang.String)

程序计数器
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；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。它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何outotMemoryError情况的区域。
作用

PC寄存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。
PC寄存器为什么被设定为私有的？
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（因此我们说PC计数器是线程私有的），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。
并发与并行的区别:
它们虽然都说是"多个进程同时运行"，但是它们的"同时"不是一个概念。并行的"同时"是同一时刻可以多个进程在运行(处于running)，并发的"同时"是经过上下文快速切换，使得宏观看上去多个进程同时都在运行的现象，是一种OS欺骗用户的现象。并发是一种现象，之所以能有这种现象的存在，和CPU的多少无关，而是和进程调度以及上下文切换有关的。

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），对应着一次次的Java方法调用（执行就入栈和调用结束就出栈）。
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
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）
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（栈存在溢出的情况）
开发中遇到哪些异常？

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。
栈的存储单位

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在。

在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）。
栈运行原理

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；另外一种是抛出异常。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：
1局部变量表（Local Variables）
2操作数栈（operand Stack）（或表达式栈）
3动态链接（DynamicLinking）（或指向运行时常量池的方法引用）
4方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
5一些附加信息

局部变量表

1.局部变量表：Local Variables，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类型。
由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题

关于Slot的理解

参数值的存放总是在局部变量数组的index0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（1ong和double）占用两个slot。
 byte、short、char 在存储前被转换为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
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的新的局部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。
静态变量与局部变量的对比

变量的分类：

按数据类型分：基本数据类型、引用数据类型
按类中声明的位置分：成员变量（类变量，实例变量）、局部变量
    类变量：linking的paper阶段，给类变量默认赋值（如int类型默认给他赋值为0），init阶段给类变量显示赋值即静态代码块
    实例变量：随着对象创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值（如int类型默认给他赋值为0）
    局部变量：在使用前必须进行显式赋值，不然编译不通过。

2.操作数栈
概念

操作数栈：Operand Stack

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）
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
栈顶缓存技术
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。
3.动态链接
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
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。

4.方法返回地址

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：
1.正常执行完成
 2.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。
5.一些附加信息

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
方法中定义的局部变量是否线程安全？
    由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题