深入理解JVM_java代码的执行机制01
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深入理解JVM_java代码的执行机制01相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本章学习重点：
1、Jvm：
如何将java代码编译为class文件。
如何装载class文件及如何执行class文件。
jvm如何进行内存分配和回收。
jvm多线程：线程资源同步机制和线程之间交互的机制。
3.1 java代码的执行机制
java源码编译机制。
1、三个步骤：
分析和输入到符号表（Parse and Enter）
Parse过程所做的为词法和语法分析。
词法分析：将代码字符串转变为Token序列。
语法分析：根据语法由Token序列生成抽象语法树。
Enter过程为将符合好输入到符号表。
通常包括确定类的超类型和接口，根据需要添加默认构造器、将类中出现的符号输入类自身的符号表中等。
注解处理（Annotation Processing）
主要用于处理用户自定义的Annotation。
语义分析和生成class文件（Analyse and Generate）
Analyse基于抽象语法树进行一系列的语义分析。
包括 将语法树的名字、表达式等元素与变量、方法、类型等联系到一起；
检查变量使用前是否已声明；
推导泛型方法的类型参数；
检查类型匹配性；
检查所有语句都可到达；
检查所有checked exception都被捕获或抛出；
检查变量的确定性赋值（例如有返回值的方法必须确定有返回值）；
检查变量的确定性不重复赋值（例如声明为final的变量等）；
解除语法糖（消除if（false）{...}）形式的无用代码；
将泛型java转为普通java；
将含有语法糖的语法树改为含有简单语言结构的语法树，（例如foreach循环、自动装箱/拆箱等）；
等。
完成上述步骤，开始生成class文件。步骤为：
（1）将实例成员初始化器收集到构造器中，将静态成员初始化器收集为<clinit>()；
（2）将抽象语法树生成字节码，采用的方法为后序遍历语法树，并进行最后的少量代码转换；
（3）从符号表生成class文件。
2、class文件包含了以下信息：
结构信息：
class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息。
元数据：
简单来说，元数据对应的就是java源码中“声明”与“常量”的信息。
主要有：类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池。
方法信息：
简单来说，java源码中“语句”与“表达式”对应的信息。
主要有：字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试用符号信息。
类加载机制。
类加载机制是指class文件加载到JVM，并形成class对象的机制，之后应用就可对class对象进行实例化并调用。
1、分三个步骤：
装载（load）：
过程负责找到二进制字节码并加载到JVM中。
链接（Link）：
过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量及解析类中调用的接口、类。
校验如果不符合，则抛出VerifyError；
校验过程中如果碰到要引用到其他的接口和类，也会进行加载，如果失败，则抛出NoClassDefFoundError。
JVM初始化类中的静态变量，并赋默认值，最后对类中的所有属性，方法进行验证，如果该阶段失败，可能会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。
初始化（init）：
过程即执行类中的静态初始化代码，构造器代码及静态属性的初始化，以下4种情况下初始化过程会被触发执行：
调用了new；
反射调用了类中的方法；
子类调用了初始化；
JVM启动过程中指定的初始化类。
JVM的类加载通过ClassLoader及其子类来完成，分为：
BootStrap Class Loader；
采用C++实现，并非 ClassLoader的子类。JDK启动时会初始化此 ClassLoader；
Extension Class Loader；
用来加载扩展功能的一些jar包，例如：JDK目录下有dns工具jar包等；
System Class Loader；
用来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包及目录。
User-Defined Class Loader；
开发人员自行实现的ClassLoader。
2、类加载过程中的常见异常：
（1）ClassNotFoundException:
原因为在当前的ClassLoader中加载类时未找到类文件。
（2）NoClassDefFoundError:
原因为加载的类中引用到的另外的类不存在。
（3）LinkageError：
该异常在自定义ClassLoader的情况下更容易出现。原因是此类已经在ClassLoader加载过了，重复地加载会造成该异常。
（4）ClassCastException：
该异常有多种原因，JDK5支持泛型后，合理使用泛型可相对减少此异常的触发。
类执行机制。
2种方式：
1、字节码解释执行方式
在源码编译阶段将源码编译为JVM字节码，是一种中间代码的方式，要由JVM在运行期对其进行解释并执行。
JVM采用四个指令来执行不同的方法调用：
（1）invokestatic：
对应调用static方法。
（2）invokevirtual：
对应调用对象实例的方法。
（3）invokeinterface：
对应调用接口。
（4）invokesprcial：
对应调用private方法和编译源码后生成的<init>方法——此方法为对象实例化时的初始化方法。
JDK基于栈的体系结构来执行字节码：
线程在创建后，会产生程序计数器（PC registers）和栈（Stack）。
作用：
PC registers：存放了下一条要执行的指令在方法内的编译量。
栈：存放了栈帧，每个方法每次调用都会产生栈帧。
栈帧分为：局部变量和操作数栈。
作用：
局部变量：存放方法中的局部变量和参数。
操作数栈：存放方法执行过程中的中间结果。
| 局部变量区 | 操作数栈 | |
| Stack Frame（栈帧） | ||
| 局部变量区 | 操作数栈 | |
| Stack Frame（栈帧） | ||
| pc寄存器 | Stack |
三种执行方式：
（1）指令解释执行：
执行方式：获取下一条指令，解码并分派，然后执行。由于很多操作要将值放入到操作数栈中，导致了寄存器和内存要不断地交换数据，效率不高。
SUN JDK进行优化，主要有：栈顶缓存和部分栈帧共享。
（2）栈顶缓存：
将本来位于操作数栈顶的值直接缓存到寄存器上，对于大部分只需要一个值的操作而言，无须将数据放入操作数栈，可直接在寄存器计算，然后放回操作数栈。
（3）部分栈帧共享：
当调用方法时，后一方法可将前一方法的操作数栈作为当前方法的局部变量，从而节省数据copy带来的消耗。
2、编译执行
为了解决解释执行的效率问题，JDK提供将字节码编译为机器码的支持，编译在运行时进行，通常称为JIT编译器。
JDK在执行过程中对执行频率高的代码进行编译，对执行不频繁的代码则继续采用解释的方式，所以JDK又称为HotSpotVM。
在编译上提供2种模式：client compiler和server compiler。
（1）client compiler：
C1 轻量级，只做少量性能开销比高的优化，占用内存少，合适与桌面交互式应用。
在寄存器分配策略上，JDK6以后采用的为线性扫描寄存器分配算法。
其他地方优化：
方法内联：
把调用到的方法的指令直接植入当前方法中。
去虚拟化：
装载class之后，进行类层次分析，如类中的方法只提供一个实现类，那么对于调用了此方法的代码，也可进行方法内联。
冗余消除：
指在编译时，根据运行时状况进行代码的折叠和消除。
等。
（2）server compiler：
C2 重量级，大量的传统编译优化技巧来进行优化，占用内存多，适用于服务器端的应用。
采用的为传统的图着色寄存器分配算法。优化范围更多的在于全局的优化。
收集的信息：分支的跳转/不跳转的频率、某条指令上出现过的类型、是否出现过空值、是否出现过异常。
逃逸分析是很多优化的基础。指的是根据运行状态来判断方法中的变量是否会被外部读取，如不会则认为此变量是逃逸的。基于此在编译时会做：
标量替换：
用标量替换聚合量。
好处：如果创建的对象并未用到其中的全部变量，则可以节省一定的内存。对于代码执行，由于无须去找对象的引用，也会更快。
栈上分配：
如果没有，会在栈上直接创建对象实例，而不是在JVM堆上。
好处：栈上分配更快。回收时随方法的结束，对象也被回收了。
同步消除：
如果发现同步的对象未逃逸，就没有同步的必要，在编译时会直接去掉同步。
等。
运行后C1、C2编译出来的机器码如果不再符合优化条件，则会进行逆优化，也就是回到解释执行的方式。
一种特殊的编译为：OSR（On Stack Replace）。与C1、C2区别：
（1）OSR编译只替换循环代码体的入口；现象：方法的整段代码被编译了，但只有循环代码体才执行编译后的机器码，其他部分仍然是解释执行方式。
（2）C1、C2替换的方法调用的入口。
Sun JDK根据机器来选择C1和C2模式。当CPU超过2核且内存大于2GB时默认为C2模式，但是32位windows机器始终为C1模式。
未选择在启动时即编译成机器码的原因：
（1）静态编译并不能根据程序的运行状况来优化执行的代码。
（2）解释执行比编译执行更节省内存。
（3）启动时解释执行的启动速度比编译再启动更快。
未编译期间解释执行方式会比较慢，JDk主要依据方法上的2个计数器是否超过阀值。
（1）调用计数器，即方法被调用的次数。（CompileThreshold）
该值指当方法被调用多少次后，就编译为机器码。在client模式下默认为1500次，server模式下默认为10000次。
可通过启动时添加-XX：CompileThreshold=10000来设置该值。
（2）回边计数器，即方法中循环执行部分代码的执行次数。（OnStackReplacePercentage）
该值用于计算是否触发OSR编译的阀值。默认情况下client模式为933，server模式为140。
该值通过启动时添加-XX：OnStackReplacePercentage=140来设置。
注意：由于sun JDK这个特性，在对java代码进行性能测试时，要尤其注意是否事先做了足够次数的调用，以保证测试是公平的。
3、反射执行
反射和直接创建对象实例，调用方法的最大不同在于创建、方法调用的过程是动态的。
要实现动态调用，最直接的方法就是动态生成字节码，并加载到JVM中执行。
以上是关于深入理解JVM_java代码的执行机制01的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章