深入淺出Java虛擬機(jī)是你通往高級(jí)Java開發(fā)的必經(jīng)之路

深入淺出 Java 虛擬機(jī) 是你通往高級(jí) Java 開發(fā)的必經(jīng)之路

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深入淺出 Java 虛擬機(jī) 是你通往高級(jí) Java 開發(fā)的必經(jīng)之路

前言:

今天要給大家分享的是Java虛擬機(jī)的一些硬貨知識(shí)，文章不錯(cuò)的話記得給我點(diǎn)給個(gè)關(guān)注哦，私信我可以獲取更多的java資料。

第一章 JVM 內(nèi)存模型

Java 虛擬機(jī)（Java Virtual Machine=JVM）的內(nèi)存空間分為五個(gè)部分，分別是：

程序計(jì)數(shù)器
Java 虛擬機(jī)棧
本地方法棧
堆
方法區(qū)。

下面對(duì)這五個(gè)區(qū)域展開深入的介紹。

1.1 程序計(jì)數(shù)器

1.1.1 什么是程序計(jì)數(shù)器？

程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，可以把它看作當(dāng)前線程正在執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。也就是說(shuō)，程序計(jì)數(shù)器里面記錄的是當(dāng)前線程正在執(zhí)行的那一條字節(jié)碼指令的地址。

注：但是，如果當(dāng)前線程正在執(zhí)行的是一個(gè)本地方法，那么此時(shí)程序計(jì)數(shù)器為空。

1.1.2 程序計(jì)數(shù)器的作用

程序計(jì)數(shù)器有兩個(gè)作用：

字節(jié)碼解釋器通過(guò)改變程序計(jì)數(shù)器來(lái)依次讀取指令，從而實(shí)現(xiàn)代碼的流程控制，如：順序執(zhí)行、選擇、循環(huán)、異常處理。
在多線程的情況下，程序計(jì)數(shù)器用于記錄當(dāng)前線程執(zhí)行的位置，從而當(dāng)線程被切換回來(lái)的時(shí)候能夠知道該線程上次運(yùn)行到哪兒了。

1.1.3 程序計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)

是一塊較小的存儲(chǔ)空間
線程私有。每條線程都有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器。
是唯一一個(gè)不會(huì)出現(xiàn)OutOfMemoryError的內(nèi)存區(qū)域。
生命周期隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的結(jié)束而死亡。

1.2 Java虛擬機(jī)棧（JVM Stack）

1.2.1 什么是Java虛擬機(jī)棧？

Java虛擬機(jī)棧是描述Java方法運(yùn)行過(guò)程的內(nèi)存模型。

Java虛擬機(jī)棧會(huì)為每一個(gè)即將運(yùn)行的Java方法創(chuàng)建一塊叫做“棧幀”的區(qū)域，這塊區(qū)域用于存儲(chǔ)該方法在運(yùn)行過(guò)程中所需要的一些信息，這些信息包括：

局部變量表
存放基本數(shù)據(jù)類型變量、引用類型的變量、returnAddress類型的變量。
操作數(shù)棧
動(dòng)態(tài)鏈接
方法出口信息
等

當(dāng)一個(gè)方法即將被運(yùn)行時(shí)，Java虛擬機(jī)棧首先會(huì)在Java虛擬機(jī)棧中為該方法創(chuàng)建一塊“棧幀”，棧幀中包含局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口信息等。當(dāng)方法在運(yùn)行過(guò)程中需要?jiǎng)?chuàng)建局部變量時(shí)，就將局部變量的值存入棧幀的局部變量表中。

當(dāng)這個(gè)方法執(zhí)行完畢后，這個(gè)方法所對(duì)應(yīng)的棧幀將會(huì)出棧，并釋放內(nèi)存空間。

注意：人們常說(shuō)，Java的內(nèi)存空間分為“棧”和“堆”，棧中存放局部變量，堆中存放對(duì)象。

這句話不完全正確！這里的“堆”可以這么理解，但這里的“棧”只代表了Java虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分。真正的Java虛擬機(jī)棧是由一個(gè)個(gè)棧幀組成，而每個(gè)棧幀中都擁有：局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口信息。

1.2.2 Java 虛擬機(jī)棧的特點(diǎn)

（1）局部變量表的創(chuàng)建是在方法被執(zhí)行的時(shí)候，隨著棧幀的創(chuàng)建而創(chuàng)建。而且，局部變量表的大小在編譯時(shí)期就確定下來(lái)了，在創(chuàng)建的時(shí)候只需分配事先規(guī)定好的大小即可。此外，在方法運(yùn)行的過(guò)程中局部變量表的大小是不會(huì)發(fā)生改變的。

（2）Java 虛擬機(jī)棧會(huì)出現(xiàn)兩種異常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

a) StackOverFlowError：
若Java虛擬機(jī)棧的內(nèi)存大小不允許動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，那么當(dāng)線程請(qǐng)求棧的深度超過(guò)當(dāng)前Java虛擬機(jī)棧的最大深度的時(shí)候，就拋出StackOverFlowError異常。
b) OutOfMemoryError：
若Java虛擬機(jī)棧的內(nèi)存大小允許動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，且當(dāng)線程請(qǐng)求棧時(shí)內(nèi)存用完了，無(wú)法再動(dòng)態(tài)擴(kuò)展了，此時(shí)拋出OutOfMemoryError異常。

（3）Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，每個(gè)線程都有各自的Java虛擬機(jī)棧，而且隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的死亡而死亡。

注：StackOverFlowError和OutOfMemoryError的異同？StackOverFlowError表示當(dāng)前線程申請(qǐng)的棧超過(guò)了事先定好的棧的最大深度，但內(nèi)存空間可能還有很多。而OutOfMemoryError是指當(dāng)線程申請(qǐng)棧時(shí)發(fā)現(xiàn)棧已經(jīng)滿了，而且內(nèi)存也全都用光了。

1.3 本地方法棧

1.3.1 什么是本地方法棧？

本地方法棧和Java虛擬機(jī)棧實(shí)現(xiàn)的功能類似，只不過(guò)本地方法區(qū)是本地方法運(yùn)行的內(nèi)存模型。

本地方法被執(zhí)行的時(shí)候，在本地方法棧也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用于存放該本地方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、出口信息。

方法執(zhí)行完畢后相應(yīng)的棧幀也會(huì)出棧并釋放內(nèi)存空間。

也會(huì)拋出StackOverFlowError和OutOfMemoryError異常。

1.4 堆

1.4.1 什么是堆？

堆是用來(lái)存放對(duì)象的內(nèi)存空間。

幾乎所有的對(duì)象都存儲(chǔ)在堆中。

1.4.2 堆的特點(diǎn)

（1）線程共享

整個(gè) Java 虛擬機(jī)只有一個(gè)堆，所有的線程都訪問(wèn)同一個(gè)堆。而程序計(jì)數(shù)器、Java 虛擬機(jī)棧、本地方法棧都是一個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè)的。

（2）在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。

（3）垃圾回收的主要場(chǎng)所。

（4）可以進(jìn)一步細(xì)分為：新生代、老年代。

新生代又可被分為：Eden、From Survior、To Survior。不同的區(qū)域存放具有不同生命周期的對(duì)象。這樣可以根據(jù)不同的區(qū)域使用不同的垃圾回收算法，從而更具有針對(duì)性，從而更高效。

（5）堆的大小既可以固定也可以擴(kuò)展，但主流的虛擬機(jī)堆的大小是可擴(kuò)展的，因此當(dāng)線程請(qǐng)求分配內(nèi)存，但堆已滿，且內(nèi)存已滿無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，就拋出 OutOfMemoryError。

1.5 方法區(qū)

1.5.1 什么是方法區(qū)？

Java 虛擬機(jī)規(guī)范中定義方法區(qū)是堆的一個(gè)邏輯部分。方法區(qū)中存放已經(jīng)被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等。

1.5.2 方法區(qū)的特點(diǎn)

線程共享
方法區(qū)是堆的一個(gè)邏輯部分，因此和堆一樣，都是線程共享的。整個(gè)虛擬機(jī)中只有一個(gè)方法區(qū)。
永久代
方法區(qū)中的信息一般需要長(zhǎng)期存在，而且它又是堆的邏輯分區(qū)，因此用堆的劃分方法，我們把方法區(qū)稱為老年代。
內(nèi)存回收效率低
方法區(qū)中的信息一般需要長(zhǎng)期存在，回收一遍內(nèi)存之后可能只有少量信息無(wú)效。
對(duì)方法區(qū)的內(nèi)存回收的主要目標(biāo)是：對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載。
Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)方法區(qū)的要求比較寬松。
和堆一樣，允許固定大小，也允許可擴(kuò)展的大小，還允許不實(shí)現(xiàn)垃圾回收。

1.5.3 什么是運(yùn)行時(shí)常量池？

方法區(qū)中存放三種數(shù)據(jù)：類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼。其中常量存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常量池中。

我們一般在一個(gè)類中通過(guò)public static final來(lái)聲明一個(gè)常量。這個(gè)類被編譯后便生成Class文件，這個(gè)類的所有信息都存儲(chǔ)在這個(gè)class文件中。

當(dāng)這個(gè)類被Java虛擬機(jī)加載后，class文件中的常量就存放在方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。而且在運(yùn)行期間，可以向常量池中添加新的常量。如：String類的intern()方法就能在運(yùn)行期間向常量池中添加字符串常量。

當(dāng)運(yùn)行時(shí)常量池中的某些常量沒有被對(duì)象引用，同時(shí)也沒有被變量引用，那么就需要垃圾收集器回收。

1.6 直接內(nèi)存

直接內(nèi)存是除Java虛擬機(jī)之外的內(nèi)存，但也有可能被Java使用。

在NIO中引入了一種基于通道和緩沖的IO方式。它可以通過(guò)調(diào)用本地方法直接分配Java虛擬機(jī)之外的內(nèi)存，然后通過(guò)一個(gè)存儲(chǔ)在Java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象直接操作該內(nèi)存，而無(wú)需先將外面內(nèi)存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到堆中再操作，從而提升了數(shù)據(jù)操作的效率。

直接內(nèi)存的大小不受Java虛擬機(jī)控制，但既然是內(nèi)存，當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)就會(huì)拋出OOM異常。

1.7 綜上所述

Java虛擬機(jī)的內(nèi)存模型中一共有兩個(gè)“?！?，分別是：Java虛擬機(jī)棧和本地方法棧。
兩個(gè)“?！钡墓δ茴愃?，都是方法運(yùn)行過(guò)程的內(nèi)存模型。并且兩個(gè)“?！眱?nèi)部構(gòu)造相同，都是線程私有。
只不過(guò)Java虛擬機(jī)棧描述的是Java方法運(yùn)行過(guò)程的內(nèi)存模型，而本地方法棧是描述Java本地方法運(yùn)行過(guò)程的內(nèi)存模型。
Java虛擬機(jī)的內(nèi)存模型中一共有兩個(gè)“堆”，一個(gè)是原本的堆，一個(gè)是方法區(qū)。方法區(qū)本質(zhì)上是屬于堆的一個(gè)邏輯部分。堆中存放對(duì)象，方法區(qū)中存放類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯的代碼。
堆是Java虛擬機(jī)中最大的一塊內(nèi)存區(qū)域，也是垃圾收集器主要的工作區(qū)域。
程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧是線程私有的，即每個(gè)線程都擁有各自的程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧。并且他們的生命周期和所屬的線程一樣。
而堆、方法區(qū)是線程共享的，在Java虛擬機(jī)中只有一個(gè)堆、一個(gè)方法棧。并在JVM啟動(dòng)的時(shí)候就創(chuàng)建，JVM停止才銷毀。

第二章揭開Java對(duì)象創(chuàng)建的奧秘

2.1 對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程

當(dāng)虛擬機(jī)遇到一條含有new的指令時(shí)，會(huì)進(jìn)行一系列對(duì)象創(chuàng)建的操作：

（1）檢查常量池中是否有即將要?jiǎng)?chuàng)建的這個(gè)對(duì)象所屬的類的符號(hào)引用；

若常量池中沒有這個(gè)類的符號(hào)引用，說(shuō)明這個(gè)類還沒有被定義！拋出ClassNotFoundException；
若常量池中有這個(gè)類的符號(hào)引用，則進(jìn)行下一步工作；

（2）進(jìn)而檢查這個(gè)符號(hào)引用所代表的類是否已經(jīng)被JVM加載；

若該類還沒有被加載，就找該類的class文件，并加載進(jìn)方法區(qū)；
若該類已經(jīng)被JVM加載，則準(zhǔn)備為對(duì)象分配內(nèi)存；

（3）根據(jù)方法區(qū)中該類的信息確定該類所需的內(nèi)存大?。?/p>

一個(gè)對(duì)象所需的內(nèi)存大小是在這個(gè)對(duì)象所屬類被定義完就能確定的！且一個(gè)類所生產(chǎn)的所有對(duì)象的內(nèi)存大小是一樣的！JVM在一個(gè)類被加載進(jìn)方法區(qū)的時(shí)候就知道該類生產(chǎn)的每一個(gè)對(duì)象所需要的內(nèi)存大小。

（4）從堆中劃分一塊對(duì)應(yīng)大小的內(nèi)存空間給新的對(duì)象；分配堆中內(nèi)存有兩種方式：

指針碰撞
如果JVM的垃圾收集器采用復(fù)制算法或標(biāo)記-整理算法，那么堆中空閑內(nèi)存是完整的區(qū)域，并且空閑內(nèi)存和已使用內(nèi)存之間由一個(gè)指針標(biāo)記。那么當(dāng)為一個(gè)對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)，只需移動(dòng)指針即可。因此，這種在完整空閑區(qū)域上通過(guò)移動(dòng)指針來(lái)分配內(nèi)存的方式就叫做“指針碰撞”。
空閑列表
如果JVM的垃圾收集器采用標(biāo)記-清除算法，那么堆中空閑區(qū)域和已使用區(qū)域交錯(cuò)，因此需要用一張“空閑列表”來(lái)記錄堆中哪些區(qū)域是空閑區(qū)域，從而在創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候根據(jù)這張“空閑列表”找到空閑區(qū)域，并分配內(nèi)存。
綜上所述：JVM究竟采用哪種內(nèi)存分配方法，取決于它使用了何種垃圾收集器。

（5）為對(duì)象中的成員變量賦上初始值(默認(rèn)初始化)；

（6）設(shè)置對(duì)象頭中的信息；

（7）調(diào)用對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化；

此時(shí)，整個(gè)對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程就完成了。

2.2 對(duì)象的內(nèi)存模型

一個(gè)對(duì)象從邏輯角度看，它由成員變量和成員函數(shù)構(gòu)成，從物理角度來(lái)看，對(duì)象是存儲(chǔ)在堆中的一串二進(jìn)制數(shù)，這串二進(jìn)制數(shù)的組織結(jié)構(gòu)如下。

對(duì)象在內(nèi)存中分為三個(gè)部分：

對(duì)象頭
實(shí)例數(shù)據(jù)
對(duì)齊補(bǔ)充

2.2.1 對(duì)象頭

對(duì)象頭中記錄了對(duì)象在運(yùn)行過(guò)程中所需要使用的一些數(shù)據(jù)：哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等。

此外，對(duì)象頭中可能還包含類型指針。通過(guò)該指針能確定這個(gè)對(duì)象所屬哪個(gè)類。

此外，如果對(duì)象是一個(gè)數(shù)組，那么對(duì)象頭中還要包含數(shù)組長(zhǎng)度。

2.2.2 實(shí)例數(shù)據(jù)

實(shí)力數(shù)據(jù)部分就是成員變量的值，其中包含父類的成員變量和本類的成員變量。

2.2.3 對(duì)齊補(bǔ)充

用于確保對(duì)象的總長(zhǎng)度為8字節(jié)的整數(shù)倍。

HotSpot要求對(duì)象的總長(zhǎng)度必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。由于對(duì)象頭一定是8字節(jié)的整數(shù)倍，但實(shí)例數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度是任意的，因此需要對(duì)齊補(bǔ)充字段確保整個(gè)對(duì)象的總長(zhǎng)度為8的整數(shù)倍。

2.3 訪問(wèn)對(duì)象的過(guò)程

我們知道，引用類型的變量中存放的是一個(gè)地址，那么根據(jù)地址類型的不同，對(duì)象有不同的訪問(wèn)方式：

句柄訪問(wèn)方式
堆中需要有一塊叫做“句柄池”的內(nèi)存空間，用于存放所有對(duì)象的地址和所有對(duì)象所屬類的類信息。
引用類型的變量存放的是該對(duì)象在句柄池中的地址。訪問(wèn)對(duì)象時(shí)，首先需要通過(guò)引用類型的變量找到該對(duì)象的句柄，然后根據(jù)句柄中對(duì)象的地址再訪問(wèn)對(duì)象。
直接指針訪問(wèn)方式
引用類型的變量直接存放對(duì)象的地址，從而不需要句柄池，通過(guò)引用能夠直接訪問(wèn)對(duì)象。
但對(duì)象所在的內(nèi)存空間中需要額外的策略存儲(chǔ)對(duì)象所屬的類信息的地址。

比較

HotSpot采用直接指針方式訪問(wèn)對(duì)象，因?yàn)樗恍枰淮螌ぶ凡僮?，從而性能比句柄訪問(wèn)方式快一倍。但它需要額外的策略存儲(chǔ)對(duì)象在方法區(qū)中類信息的地址。

第三章揭開 Java 對(duì)象內(nèi)存分配的秘密

Java所承諾的自動(dòng)內(nèi)存管理主要是針對(duì)對(duì)象內(nèi)存的回收和對(duì)象內(nèi)存的分配。

在Java虛擬機(jī)的五塊內(nèi)存空間中，程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧內(nèi)存的分配和回收都具有確定性，一半都在編譯階段就能確定下來(lái)需要分配的內(nèi)存大小，并且由于都是線程私有，因此它們的內(nèi)存空間都隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，線程的結(jié)束而回收。也就是這三個(gè)區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具有確定性。

而Java虛擬機(jī)中的方法區(qū)因?yàn)槭怯脕?lái)存儲(chǔ)類信息、常量

靜態(tài)變量，這些數(shù)據(jù)的變動(dòng)性較小，因此不是Java內(nèi)存管理重點(diǎn)需要關(guān)注的區(qū)域。

而對(duì)于堆，所有線程共享，所有的對(duì)象都需要在堆中創(chuàng)建和回收。雖然每個(gè)對(duì)象的大小在類加載的時(shí)候就能確定，但對(duì)象的數(shù)量只有在程序運(yùn)行期間才能確定，因此堆中內(nèi)存的分配具有較大的不確定性。此外，對(duì)象的生命周期長(zhǎng)短不一，因此需要針對(duì)不同生命周期的對(duì)象采用不同的內(nèi)存回收算法，增加了內(nèi)存回收的復(fù)雜性。

綜上所述：Java自動(dòng)內(nèi)存管理最核心的功能是堆內(nèi)存中對(duì)象的分配與回收。

3.1 對(duì)象優(yōu)先在 Eden 區(qū)中分配

目前主流的垃圾收集器都會(huì)采用分代回收算法，因此需要將堆內(nèi)存分為新生代和老年代。

在新生代中為了防止內(nèi)存碎片問(wèn)題，因此垃圾收集器一般都選用“復(fù)制”算法。因此，堆內(nèi)存的新生代被進(jìn)一步分為：Eden區(qū)＋Survior1區(qū)＋Survior2區(qū)。

每次創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，首先會(huì)在Eden區(qū)中分配。

若Eden區(qū)已滿，則在Survior1區(qū)中分配。

若Eden區(qū)＋Survior1區(qū)剩余內(nèi)存太少，導(dǎo)致對(duì)象無(wú)法放入該區(qū)域時(shí)，就會(huì)啟用“分配擔(dān)保”，將當(dāng)前Eden區(qū)＋Survior1區(qū)中的對(duì)象轉(zhuǎn)移到老年代中，然后再將新對(duì)象存入Eden區(qū)。

3.2 大對(duì)象直接進(jìn)入老年代

所謂“大對(duì)象”就是指一個(gè)占用大量連續(xù)存儲(chǔ)空間的對(duì)象，如數(shù)組。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)大對(duì)象在Eden區(qū)＋Survior1區(qū)中存不下的時(shí)候就需要分配擔(dān)保機(jī)制把當(dāng)前Eden區(qū)＋Survior1區(qū)的所有對(duì)象都復(fù)制到老年代中去。

我們知道，一個(gè)大對(duì)象能夠存入Eden區(qū)＋Survior1區(qū)的概率比較小，發(fā)生分配擔(dān)保的概率比較大，而分配擔(dān)保需要涉及到大量的復(fù)制，就會(huì)造成效率低下。

因此，對(duì)于大對(duì)象我們直接把他放到老年代中去，從而就能避免大量的復(fù)制操作。

那么，什么樣的對(duì)象才是“大對(duì)象”呢？

通過(guò)-XX:PretrnureSizeThreshold參數(shù)設(shè)置大對(duì)象

該參數(shù)用于設(shè)置大小超過(guò)該參數(shù)的對(duì)象被認(rèn)為是“大對(duì)象”，直接進(jìn)入老年代。

注意：該參數(shù)只對(duì)Serial和ParNew收集器有效。

3.3 生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象進(jìn)入老年代

老年代用于存儲(chǔ)生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象，那么我們?nèi)绾闻袛嘁粋€(gè)對(duì)象的年齡呢？

新生代中的每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)年齡計(jì)數(shù)器，當(dāng)新生代發(fā)生一次MinorGC后，存活下來(lái)的對(duì)象的年齡就加一，當(dāng)年齡超過(guò)一定值時(shí)，就將超過(guò)該值的所有對(duì)象轉(zhuǎn)移到老年代中去。

使用-XXMaxTenuringThreshold設(shè)置新生代的最大年齡

設(shè)置該參數(shù)后，只要超過(guò)該參數(shù)的新生代對(duì)象都會(huì)被轉(zhuǎn)移到老年代中去。

3.4 相同年齡的對(duì)象內(nèi)存超過(guò)Survior內(nèi)存一半的對(duì)象進(jìn)入老年代

如果當(dāng)前新生代的Survior中，年齡相同的對(duì)象的內(nèi)存空間總和超過(guò)了Survior內(nèi)存空間的一半，那么所有年齡相同的對(duì)象和超過(guò)該年齡的對(duì)象都被轉(zhuǎn)移到老年代中去。無(wú)需等到對(duì)象的年齡超過(guò)MaxTenuringThreshold才被轉(zhuǎn)移到老年代中去。

3.5 “分配擔(dān)保”策略詳解

當(dāng)垃圾收集器準(zhǔn)備要在新生代發(fā)起一次MinorGC時(shí)，首先會(huì)檢查“老年代中最大的連續(xù)空閑區(qū)域的大小是否大于新生代中所有對(duì)象的大??？”，也就是老年代中目前能夠?qū)⑿律兴袑?duì)象全部裝下？

若老年代能夠裝下新生代中所有的對(duì)象，那么此時(shí)進(jìn)行MinorGC沒有任何風(fēng)險(xiǎn)，然后就進(jìn)行MinorGC。

若老年代無(wú)法裝下新生代中所有的對(duì)象，那么此時(shí)進(jìn)行MinorGC是有風(fēng)險(xiǎn)的，垃圾收集器會(huì)進(jìn)行一次預(yù)測(cè)：根據(jù)以往MinorGC過(guò)后存活對(duì)象的平均數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)這次MinorGC后存活對(duì)象的平均數(shù)。

如果以往存活對(duì)象的平均數(shù)小于當(dāng)前老年代最大的連續(xù)空閑空間，那么就進(jìn)行MinorGC，雖然此次MinorGC是有風(fēng)險(xiǎn)的。

如果以往存活對(duì)象的平均數(shù)大于當(dāng)前老年代最大的連續(xù)空閑空間，那么就對(duì)老年代進(jìn)行一次Full GC，通過(guò)清除老年代中廢棄數(shù)據(jù)來(lái)擴(kuò)大老年代空閑空間，以便給新生代作擔(dān)保。

這個(gè)過(guò)程就是分配擔(dān)保。

注意：

分配擔(dān)保是老年代為新生代作擔(dān)保；
新生代中使用“復(fù)制”算法實(shí)現(xiàn)垃圾回收，老年代中使用“標(biāo)記-清除”或“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)垃圾回收，只有使用“復(fù)制”算法的區(qū)域才需要分配擔(dān)保，因此新生代需要分配擔(dān)保，而老年代不需要分配擔(dān)保。

第四章了解 Java 虛擬機(jī)的垃圾回收算法

Java虛擬機(jī)的內(nèi)存模型分為五個(gè)部分，分別是：程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆、方法區(qū)。

這五個(gè)區(qū)域既然是存儲(chǔ)空間，那么為了避免Java虛擬機(jī)在運(yùn)行期間內(nèi)存存滿的情況，就必須得有一個(gè)垃圾收集者的角色，不定期地回收一些無(wú)效內(nèi)存，以保障Java虛擬機(jī)能夠健康地持續(xù)運(yùn)行。

這個(gè)垃圾收集者就是平常我們所說(shuō)的“垃圾收集器”，那么垃圾收集器在何時(shí)清掃內(nèi)存？清掃哪些數(shù)據(jù)？這就是接下來(lái)我們要解決的問(wèn)題。

程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧都是線程私有的，也就是每條線程都擁有這三塊區(qū)域，而且會(huì)隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，線程的結(jié)束而銷毀。那么，垃圾收集器在何時(shí)清掃這三塊區(qū)域的問(wèn)題就解決了。

此外，Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧中的棧幀會(huì)隨著方法的開始而入棧，方法的結(jié)束而出棧，并且每個(gè)棧幀中的本地變量表都是在類被加載的時(shí)候就確定的。因此以上三個(gè)區(qū)域的垃圾收集工作具有確定性，垃圾收集器能夠清楚地知道何時(shí)清掃這三塊區(qū)域中的哪些數(shù)據(jù)。

然而，堆和方法區(qū)中的內(nèi)存清理工作就沒那么容易了。

堆和方法區(qū)所有線程共享，并且都在JVM啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，一直得運(yùn)行到JVM停止時(shí)。因此它們沒辦法根據(jù)線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建、線程的結(jié)束而釋放。

堆中存放JVM運(yùn)行期間的所有對(duì)象，雖然每個(gè)對(duì)象的內(nèi)存大小在加載該對(duì)象所屬類的時(shí)候就確定了，但究竟創(chuàng)建多少個(gè)對(duì)象只有在程序運(yùn)行期間才能確定。

方法區(qū)中存放類信息、靜態(tài)成員變量、常量。類的加載是在程序運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建這個(gè)類的對(duì)象時(shí)才會(huì)加載這個(gè)類。因此，JVM究竟要加載多少個(gè)類也需要在程序運(yùn)行期間確定。

因此，堆和方法區(qū)的內(nèi)存回收具有不確定性，因此垃圾收集器在回收堆和方法區(qū)內(nèi)存的時(shí)候花了一些心思。

4.1 堆內(nèi)存的回收

4.1.1 如何判定哪些對(duì)象需要回收？

在對(duì)堆進(jìn)行對(duì)象回收之前，首先要判斷哪些是無(wú)效對(duì)象。我們知道，一個(gè)對(duì)象不被任何對(duì)象或變量引用，那么就是無(wú)效對(duì)象，需要被回收。一般有兩種判別方式：

引用計(jì)數(shù)法
每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)這個(gè)對(duì)象被一個(gè)變量或另一個(gè)對(duì)象引用一次，該計(jì)數(shù)器加一；若該引用失效則計(jì)數(shù)器減一。當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，就認(rèn)為該對(duì)象是無(wú)效對(duì)象。
可達(dá)性分析法
所有和GC Roots直接或間接關(guān)聯(lián)的對(duì)象都是有效對(duì)象，和GC Roots沒有關(guān)聯(lián)的對(duì)象就是無(wú)效對(duì)象。

GC Roots是指：

Java虛擬機(jī)棧所引用的對(duì)象(棧幀中局部變量表中引用類型的變量所引用的對(duì)象)
方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對(duì)象
方法區(qū)中常量所引用的對(duì)象
本地方法棧所引用的對(duì)象

兩者對(duì)比：

引用計(jì)數(shù)法雖然簡(jiǎn)單，但存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，它無(wú)法解決循環(huán)引用的問(wèn)題。

因此，目前主流語(yǔ)言均使用可達(dá)性分析方法來(lái)判斷對(duì)象是否有效。

4.1.2 回收無(wú)效對(duì)象的過(guò)程

當(dāng)JVM篩選出失效的對(duì)象之后，并不是立即清除，而是再給對(duì)象一次重生的機(jī)會(huì)，具體過(guò)程如下：

（1）判斷該對(duì)象是否覆蓋了finalize()方法

若已覆蓋該方法，并該對(duì)象的finalize()方法還沒有被執(zhí)行過(guò)，那么就會(huì)將finalize()扔到F-Queue隊(duì)列中；
若未覆蓋該方法，則直接釋放對(duì)象內(nèi)存。

（2）執(zhí)行F-Queue隊(duì)列中的finalize()方法

虛擬機(jī)會(huì)以較低的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行這些finalize()方法們，也不會(huì)確保所有的finalize()方法都會(huì)執(zhí)行結(jié)束。如果finalize()方法中出現(xiàn)耗時(shí)操作，虛擬機(jī)就直接停止執(zhí)行，將該對(duì)象清除。

（3）對(duì)象重生或死亡

如果在執(zhí)行finalize()方法時(shí)，將this賦給了某一個(gè)引用，那么該對(duì)象就重生了。如果沒有，那么就會(huì)被垃圾收集器清除。

注意：強(qiáng)烈不建議使用finalize()函數(shù)進(jìn)行任何操作！如果需要釋放資源，請(qǐng)使用try-finally。因?yàn)閒inalize()不確定性大，開銷大，無(wú)法保證順利執(zhí)行。

4.2 方法區(qū)的內(nèi)存回收

我們知道，如果使用復(fù)制算法實(shí)現(xiàn)堆的內(nèi)存回收，堆就會(huì)被分為新生代和老年代，新生代中的對(duì)象“朝生夕死”，每次垃圾回收都會(huì)清除掉大量的對(duì)象；而老年代中的對(duì)象生命較長(zhǎng)，每次垃圾回收只有少量的對(duì)象被清除掉。

由于方法區(qū)中存放生命周期較長(zhǎng)的類信息、常量、靜態(tài)變量，因此方法區(qū)就像是堆的老年代，每次垃圾收集的只有少量的垃圾被清除掉。

方法區(qū)中主要清除兩種垃圾：

廢棄常量
廢棄的類

4.2.1 如何判定廢棄常量？

清除廢棄的常量和清除對(duì)象類似，只要常量池中的常量不被任何變量或?qū)ο笠茫敲催@些常量就會(huì)被清除掉。

4.2.2 如何廢棄廢棄的類？

清除廢棄類的條件較為苛刻：

該類的所有對(duì)象都已被清除
該類的java.lang.Class對(duì)象沒有被任何對(duì)象或變量引用
只要一個(gè)類被虛擬機(jī)加載進(jìn)方法區(qū)，那么在堆中就會(huì)有一個(gè)代表該類的對(duì)象：java.lang.Class。這個(gè)對(duì)象在類被加載進(jìn)方法區(qū)的時(shí)候創(chuàng)建，在方法區(qū)中該類被刪除時(shí)清除。
加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收

4.3 垃圾收集算法

現(xiàn)在我們知道了判定一個(gè)對(duì)象是無(wú)效對(duì)象、判定一個(gè)類是廢棄類、判定一個(gè)常量是廢棄常量的方法，也就是知道了垃圾收集器會(huì)清除哪些數(shù)據(jù)，那么接下來(lái)介紹如何清除這些數(shù)據(jù)。

4.3.1 標(biāo)記-清除算法

首先利用剛才介紹的方法判斷需要清除哪些數(shù)據(jù)，并給它們做上標(biāo)記；然后清除被標(biāo)記的數(shù)據(jù)。

分析：

這種算法標(biāo)記和清除過(guò)程效率都很低，而且清除完后存在大量碎片空間，導(dǎo)致無(wú)法存儲(chǔ)大對(duì)象，降低了空間利用率。

4.3.2 復(fù)制算法

將內(nèi)存分成兩份，只將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其中一塊上。當(dāng)需要回收垃圾時(shí)，也是首先標(biāo)記出廢棄的數(shù)據(jù)，然后將有用的數(shù)據(jù)復(fù)制到另一塊內(nèi)存上，最后將第一塊內(nèi)存全部清除。

分析：

這種算法避免了碎片空間，但內(nèi)存被縮小了一半。

而且每次都需要將有用的數(shù)據(jù)全部復(fù)制到另一片內(nèi)存上去，效率不高。

解決空間利用率問(wèn)題：

在新生代中，由于大量的對(duì)象都是“朝生夕死”，也就是一次垃圾收集后只有少量對(duì)象存活，因此我們可以將內(nèi)存劃分成三塊：Eden、Survior1、Survior2，內(nèi)存大小分別是8:1:1。分配內(nèi)存時(shí)，只使用Eden和一塊Survior1。當(dāng)發(fā)現(xiàn)Eden+Survior1的內(nèi)存即將滿時(shí)，JVM會(huì)發(fā)起一次MinorGC，清除掉廢棄的對(duì)象，并將所有存活下來(lái)的對(duì)象復(fù)制到另一塊Survior2中。那么，接下來(lái)就使用Survior2+Eden進(jìn)行內(nèi)存分配。

通過(guò)這種方式，只需要浪費(fèi)10%的內(nèi)存空間即可實(shí)現(xiàn)帶有壓縮功能的垃圾收集方法，避免了內(nèi)存碎片的問(wèn)題。

但是，當(dāng)一個(gè)對(duì)象要申請(qǐng)內(nèi)存空間時(shí)，發(fā)現(xiàn)Eden+Survior中剩下的空間無(wú)法放置該對(duì)象，此時(shí)需要進(jìn)行Minor GC，如果MinorGC過(guò)后空閑出來(lái)的內(nèi)存空間仍然無(wú)法放置該對(duì)象，那么此時(shí)就需要將對(duì)象轉(zhuǎn)移到老年代中，這種方式叫做“分配擔(dān)?！?。

什么是分配擔(dān)保？

當(dāng)JVM準(zhǔn)備為一個(gè)對(duì)象分配內(nèi)存空間時(shí)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)Eden+Survior中空閑的區(qū)域無(wú)法裝下該對(duì)象，那么就會(huì)觸發(fā)MinorGC，對(duì)該區(qū)域的廢棄對(duì)象進(jìn)行回收。但如果MinorGC過(guò)后只有少量對(duì)象被回收，仍然無(wú)法裝下新對(duì)象，那么此時(shí)需要將Eden+Survior中的所有對(duì)象都轉(zhuǎn)移到老年代中，然后再將新對(duì)象存入Eden區(qū)。這個(gè)過(guò)程就是“分配擔(dān)保”。

4.3.3 標(biāo)記-整理算法

在回收垃圾前，首先將所有廢棄的對(duì)象做上標(biāo)記，然后將所有未被標(biāo)記的對(duì)象移到一邊，最后清空另一邊區(qū)域即可。

分析：

它是一種老年代的垃圾收集算法。老年代中的對(duì)象一般壽命比較長(zhǎng)，因此每次垃圾回收會(huì)有大量對(duì)象存活，因此如果選用“復(fù)制”算法，每次需要復(fù)制大量存活的對(duì)象，會(huì)導(dǎo)致效率很低。而且，在新生代中使用“復(fù)制”算法，當(dāng)Eden+Survior中都裝不下某個(gè)對(duì)象時(shí)，可以使用老年代的內(nèi)存進(jìn)行“分配擔(dān)?！?，而如果在老年代使用該算法，那么在老年代中如果出現(xiàn)Eden+Survior裝不下某個(gè)對(duì)象時(shí)，沒有其他區(qū)域給他作分配擔(dān)保。因此，老年代中一般使用“標(biāo)記-整理”算法。

4.3.4 分代收集算法

將內(nèi)存劃分為老年代和新生代。老年代中存放壽命較長(zhǎng)的對(duì)象，新生代中存放“朝生夕死”的對(duì)象。然后在不同的區(qū)域使用不同的垃圾收集算法。

4.4 Java中引用的種類

Java中根據(jù)生命周期的長(zhǎng)短，將引用分為4類。

4.4.1 強(qiáng)引用

我們平時(shí)所使用的引用就是強(qiáng)引用。

A a = new A();

也就是通過(guò)關(guān)鍵字new創(chuàng)建的對(duì)象所關(guān)聯(lián)的引用就是強(qiáng)引用。

只要強(qiáng)引用存在，該對(duì)象永遠(yuǎn)也不會(huì)被回收。

4.4.2 軟引用

只有當(dāng)堆即將發(fā)生OOM異常時(shí)，JVM才會(huì)回收軟引用所指向的對(duì)象。

軟引用通過(guò)SoftReference類實(shí)現(xiàn)。

軟引用的生命周期比強(qiáng)引用短一些。

4.4.3 弱引用

只要垃圾收集器運(yùn)行，軟引用所指向的對(duì)象就會(huì)被回收。

弱引用通過(guò)WeakReference類實(shí)現(xiàn)。

弱引用的生命周期比軟引用短。

4.4.4 虛引用

虛引用也叫幽靈引用，它和沒有引用沒有區(qū)別，無(wú)法通過(guò)虛引用訪問(wèn)對(duì)象的任何屬性或函數(shù)。

一個(gè)對(duì)象關(guān)聯(lián)虛引用唯一的作用就是在該對(duì)象被垃圾收集器回收之前會(huì)受到一條系統(tǒng)通知。

虛引用通過(guò)PhantomReference類來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第五章 class 文件結(jié)構(gòu)詳解

5.1 什么是JVM的“無(wú)關(guān)性”？

Java具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，也就是任何操作系統(tǒng)都能運(yùn)行Java代碼。之所以能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，是因?yàn)镴ava運(yùn)行在虛擬機(jī)之上，不同的操作系統(tǒng)都擁有各自的Java虛擬機(jī)，因此Java能實(shí)現(xiàn)“一次編寫，處處運(yùn)行”。

而JVM不僅具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，還具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性。

平臺(tái)無(wú)關(guān)性是指不同操作系統(tǒng)都有各自的JVM，而語(yǔ)言無(wú)關(guān)性是指Java虛擬機(jī)能運(yùn)行除Java以外的代碼！

這聽起來(lái)非常驚人，但JVM對(duì)能運(yùn)行的語(yǔ)言是有嚴(yán)格要求的。首先來(lái)了解下Java代碼的運(yùn)行過(guò)程。

Java源代碼首先需要使用Javac編譯器編譯成class文件，然后啟動(dòng)JVM執(zhí)行class文件，從而程序開始運(yùn)行。

也就是JVM只認(rèn)識(shí)class文件，它并不管何種語(yǔ)言生成了class文件，只要class文件符合JVM的規(guī)范就能運(yùn)行。

因此目前已經(jīng)有Scala、JRuby、Jython等語(yǔ)言能夠在JVM上運(yùn)行。它們有各自的語(yǔ)法規(guī)則，不過(guò)它們的編譯器都能將各自的源碼編譯成符合JVM規(guī)范的class文件，從而能夠借助JVM運(yùn)行它們。

5.2 縱觀Class文件結(jié)構(gòu)

class文件是二進(jìn)制文件，它的內(nèi)容具有嚴(yán)格的規(guī)范，文件中沒有任何空格，全是連續(xù)的0/1。class文件中的所有內(nèi)容被分為兩種類型：無(wú)符號(hào)數(shù) 和表。

無(wú)符號(hào)數(shù)：它表示class文件中的值，這些值沒有任何類型，但有不同的長(zhǎng)度。根據(jù)這些值長(zhǎng)度的不同分為：u1、u2、u4、u8，分別代表1字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)、2字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)、4字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)、8字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)。
表：class文件中所有數(shù)據(jù)（即無(wú)符號(hào)數(shù)）要么單獨(dú)存在，要么由多個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)組成二維表。即class文件中的數(shù)據(jù)要么是單個(gè)值，要么是二維表。

5.2.1 class文件的組織結(jié)構(gòu)

魔數(shù)
本文件的版本信息
常量池
訪問(wèn)標(biāo)志
類索引
父類索引
接口索引集合
字段表集合
方法表集合

5.3 Class文件的構(gòu)成1：魔數(shù)

class文件的頭4個(gè)字節(jié)稱為魔數(shù)，用來(lái)表示這個(gè)class文件的類型。

魔數(shù)的作用就相當(dāng)于文件后綴名，只不過(guò)后綴名容易被修改，不安全，因此在class文件中標(biāo)示文件類型比較合適。

class文件的魔數(shù)是用16進(jìn)制表示的“CAFEBABE”，非常具有浪漫主義色彩，誰(shuí)說(shuō)程序員的情商都很低！

5.4 Class文件的構(gòu)成2：版本信息

緊接著魔數(shù)的4個(gè)字節(jié)是版本號(hào)。它表示本class中使用的是哪個(gè)版本的JDK。

在高版本的JVM上能夠運(yùn)行低版本的class文件，但在低版本的JVM上無(wú)法運(yùn)行高版本的class文件，即使該class文件中沒有用到任何高版本JDK的特性也無(wú)法運(yùn)行！

5.5 Class文件的構(gòu)成3：常量池

5.5.1 什么是常量池？

緊接著版本號(hào)之后的就是常量池。常量池中存放兩種類型的常量：

字面值常量
字面值常量即我們?cè)诔绦蛑卸x的字符串、被final修飾的值。
符號(hào)引用
符號(hào)引用就是我們定義的各種名字：

類和接口的全限定名
字段的名字和描述符
方法的名字和描述符

5.5.2 常量池的特點(diǎn)

常量池長(zhǎng)度不固定
常量池的大小是不固定的，因此常量池開頭放置一個(gè)u2類型的無(wú)符號(hào)數(shù)，用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前常量池的容量。JVM根據(jù)這個(gè)值就知道常量池的頭尾來(lái)。

注：這個(gè)值是從1開始的，若為5表示池中有4個(gè)常量。

常量池中的常量由而為表來(lái)表示
常量池開頭有個(gè)常量池容量計(jì)數(shù)器，接下來(lái)就全是一個(gè)個(gè)常量了，只不過(guò)常量都是由一張張二維表構(gòu)成，除了記錄常量的值以外，還記錄當(dāng)前常量的相關(guān)信息。
常量池是class文件的資源倉(cāng)庫(kù)
常量池是與本class中其它部分關(guān)聯(lián)最多的部分
常量池是class文件中空間占用最大的部分之一

5.5.3 常量池中常量的類型

剛才介紹了，常量池中的常量大體上分為：字面值常量和符號(hào)引用。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)常量的數(shù)據(jù)類型不同，又可以被細(xì)分為14種常量類型。這14種常量類型都有各自的二維表示結(jié)構(gòu)。每種常量類型的頭1個(gè)字節(jié)都是tag，用于表示當(dāng)前常量屬于14種類型中的哪一個(gè)。

以CONSTANT_Class_info常量為例，它的二維表示結(jié)構(gòu)如下：

CONSTANT_Class_info表：

類型名稱數(shù)量u1tag1u2name_index1

tag表示當(dāng)前常量的類型(當(dāng)前常量為CONSTANT_Class_info，因此tag的值應(yīng)為7，表示一個(gè)類或接口的全限定名)；

name_index表示這個(gè)類或接口全限定名的位置。它的值表示指向常量池的第幾個(gè)常量。它會(huì)指向一個(gè)CONSTANT_Utf8_info類型的常量，它的二維表結(jié)構(gòu)如下：

CONSTANT_Utf8_info表：

類型名稱數(shù)量u1tag1u2length2u1byteslength

CONSTANT_Utf8_info表示字符串常量；
tag表示當(dāng)前常量的類型，這里應(yīng)該是1；
length表示這個(gè)字符串的長(zhǎng)度；
bytes為這個(gè)字符串的內(nèi)容（采用縮略的UTF8編碼）

問(wèn)：為什么Java中定義的類、變量名字必須小于64K？

類、接口、變量等名字都屬于符號(hào)引用，它們都存儲(chǔ)在常量池中。而不管哪種符號(hào)引用，它們的名字都由CONSTANT_Utf8_info類型的常量表示，這種類型的常量使用u2存儲(chǔ)字符串的長(zhǎng)度。由于2字節(jié)最多能表示65535個(gè)數(shù)，因此這些名字的最大長(zhǎng)度最多只能是64K。

問(wèn)：什么是UTF-8編碼？什么是縮略UTF-8編碼？

前者每個(gè)字符使用3個(gè)字節(jié)表示，而后者把128個(gè)ASKII碼用1字節(jié)表示，某些字符用2字節(jié)表示，某些字符用3字節(jié)表示。

5.6 Class文件的構(gòu)成4：訪問(wèn)標(biāo)志

在常量池之后是2字節(jié)的訪問(wèn)標(biāo)志。訪問(wèn)標(biāo)志是用來(lái)表示這個(gè)class文件是類還是接口、是否被public修飾、是否被abstract修飾、是否被final修飾等。

由于這些標(biāo)志都由是/否表示，因此可以用0/1表示。

訪問(wèn)標(biāo)志為2字節(jié)，可以表示16位標(biāo)志，但JVM目前只定義了8種，未定義的直接寫0.

5.7 Class文件的構(gòu)成5：類索引、父類索引、接口索引集合

類索引、父類索引、接口索引集合是用來(lái)表示當(dāng)前class文件所表示類的名字、父類名字、接口們的名字。

它們按照順序依次排列，類索引和父類索引各自使用一個(gè)u2類型的無(wú)符號(hào)常量，這個(gè)常量指向CONSTANT_Class_info類型的常量，該常量的bytes字段記錄了本類、父類的全限定名。

由于一個(gè)類的接口可能有好多個(gè)，因此需要用一個(gè)集合來(lái)表示接口索引，它在類索引和父類索引之后。這個(gè)集合頭兩個(gè)字節(jié)表示接口索引集合的長(zhǎng)度，接下來(lái)就是接口的名字索引。

5.8 Class文件的構(gòu)成6：字段表的集合

5.8.1 什么是字段表集合？

接下來(lái)是字段表的集合。字段表集合用于存儲(chǔ)本類所涉及到的成員變量，包括實(shí)例變量和類變量，但不包括方法中的局部變量。

每一個(gè)字段表只表示一個(gè)成員變量，本類中所有的成員變量構(gòu)成了字段表集合。

5.8.2 字段表結(jié)構(gòu)的定義

類型名稱數(shù)量u2access_flags1u2name_index1u2descriptor_index1u2attributes_count1attribute_infoattributesattributes_count

access_flags：字段的訪問(wèn)標(biāo)志。在Java中，每個(gè)成員變量都有一系列的修飾符，和上述class文件的訪問(wèn)標(biāo)志的作用一樣，只不過(guò)成員變量的訪問(wèn)標(biāo)志與類的訪問(wèn)標(biāo)志稍有區(qū)別。
name_index：本字段名字的索引。指向一個(gè)CONSTANT_Class_info類型的常量，這里面存儲(chǔ)了本字段的名字等信息。
descriptor_index：描述符。用于描述本字段在Java中的數(shù)據(jù)類型等信息（下面詳細(xì)介紹）。
attributes_count：屬性表集合的長(zhǎng)度。
attributes：屬性表集合。到descriptor_index為止是字段表的固定信息，光有上述信息可能無(wú)法完整地描述一個(gè)字段，因此用屬性表集合來(lái)存放額外的信息，比如一個(gè)字段的值（下面會(huì)詳細(xì)介紹）。

5.8.3 什么是描述符？

成員變量（包括靜態(tài)成員變量和實(shí)例變量）和方法都有各自的描述符。

對(duì)于字段而言，描述符用于描述字段的數(shù)據(jù)類型；

對(duì)于方法而言，描述符用于描述字段的數(shù)據(jù)類型、參數(shù)列表、返回值。

在描述符中，基本數(shù)據(jù)類型用大寫字母表示，對(duì)象類型用“L對(duì)象類型的全限定名”表示，數(shù)組用“[數(shù)組類型的全限定名”表示。

描述方法時(shí)，將參數(shù)根據(jù)上述規(guī)則放在()中，()右側(cè)按照上述方法放置返回值。而且，參數(shù)之間無(wú)需任何符號(hào)。

5.8.4 字段表集合的注意點(diǎn)

一個(gè)class文件的字段表集合中不能出現(xiàn)從父類/接口繼承而來(lái)字段；
一個(gè)class文件的字段表集合中可能會(huì)出現(xiàn)程序猿沒有定義的字段
如編譯器會(huì)自動(dòng)地在內(nèi)部類的class文件的字段表集合中添加外部類對(duì)象的成員變量，供內(nèi)部類訪問(wèn)外部類。
Java中只要兩個(gè)字段名字相同就無(wú)法通過(guò)編譯。但在JVM規(guī)范中，允許兩個(gè)字段的名字相同但描述符不同的情況，并且認(rèn)為它們是兩個(gè)不同的字段。

5.9 Class文件的構(gòu)成7：方法表的集合

在class文件中，所有的方法以二維表的形式存儲(chǔ)，每張表來(lái)表示一個(gè)函數(shù)，一個(gè)類中的所有方法構(gòu)成方法表的集合。

方法表的結(jié)構(gòu)和字段表的結(jié)構(gòu)一致，只不過(guò)訪問(wèn)標(biāo)志和屬性表集合的可選項(xiàng)有所不同。

類型名稱數(shù)量u2access_flags1u2name_index1u2descriptor_index1u2attributes_count1attribute_infoattributesattributes_count

方法表的屬性表集合中有一張Code屬性表，用于存儲(chǔ)當(dāng)前方法經(jīng)編譯器編譯過(guò)后的字節(jié)碼指令。

方法表集合的注意點(diǎn)

如果本class沒有重寫父類的方法，那么本class文件的方法表集合中是不會(huì)出現(xiàn)父類/父接口的方法表；
本class的方法表集合可能出現(xiàn)程序猿沒有定義的方法
編譯器在編譯時(shí)會(huì)在class文件的方法表集合中加入類構(gòu)造器
和實(shí)例構(gòu)造器。
重載一個(gè)方法需要有相同的簡(jiǎn)單名稱和不同的特征簽名。JVM的特征簽名和Java的特征簽名有所不同：

Java特征簽名：方法參數(shù)在常量池中的字段符號(hào)引用的集合
JVM特征簽名：方法參數(shù)＋返回值

第六章詳解 Java 類的加載過(guò)程

6.1 類的生命周期

一個(gè)類從加載進(jìn)內(nèi)存到卸載出內(nèi)存為止，一共經(jīng)歷7個(gè)階段：

加載——>驗(yàn)證——>準(zhǔn)備——>解析——>初始化——>使用——>卸載

其中，類加載包括5個(gè)階段：

加載——>驗(yàn)證——>準(zhǔn)備——>解析——>初始化

在類加載的過(guò)程中，以下3個(gè)過(guò)程稱為連接：

驗(yàn)證——>準(zhǔn)備——>解析

因此，JVM的類加載過(guò)程也可以概括為3個(gè)過(guò)程：

加載——>連接——>初始化

C/C++在運(yùn)行前需要完成預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接；而在Java中，類加載(加載、連接、初始化)是在程序運(yùn)行期間完成的。

在程序運(yùn)行期間進(jìn)行類加載會(huì)稍微增加程序的開銷，但隨之會(huì)帶來(lái)更大的好處——提高程序的靈活性。Java語(yǔ)言的靈活性體現(xiàn)在它可以在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，所謂動(dòng)態(tài)擴(kuò)展就是在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)加載和動(dòng)態(tài)連接。

6.2 類加載的時(shí)機(jī)

6.2.1 類加載過(guò)程中每個(gè)步驟的順序

我們已經(jīng)知道，類加載的過(guò)程包括：加載、連接、初始化，連接又分為：驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析，所以說(shuō)類加載一共分為5步：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化。

其中加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、初始化的開始順序是依次進(jìn)行的，這些步驟開始之后的過(guò)程可能會(huì)有重疊。

而解析過(guò)程會(huì)發(fā)生在初始化過(guò)程中。

6.2.2 類加載過(guò)程中“初始化”開始的時(shí)機(jī)

JVM規(guī)范中只定義了類加載過(guò)程中初始化過(guò)程開始的時(shí)機(jī)，加載、連接過(guò)程都應(yīng)該在初始化之前開始(解析除外)，這些過(guò)程具體在何時(shí)開始，JVM規(guī)范并沒有定義，不同的虛擬機(jī)可以根據(jù)具體的需求自定義。

初始化開始的時(shí)機(jī)：

在運(yùn)行過(guò)程中遇到如下字節(jié)碼指令時(shí)，如果類尚未初始化，那就要進(jìn)行初始化：new、getstatic、putstatic、invokestatic。這四個(gè)指令對(duì)應(yīng)的Java代碼場(chǎng)景是：

通過(guò)new創(chuàng)建對(duì)象；
讀取、設(shè)置一個(gè)類的靜態(tài)成員變量（不包括final修飾的靜態(tài)變量）；
調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)成員函數(shù)。

使用java.lang.reflect進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候，如果類沒有初始化，那就需要初始化；
當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候，若其父類尚未初始化，那就先要讓其父類初始化，然后再初始化本類；
當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)首先初始化帶有main方法的類，即主類；

6.2.3 主動(dòng)引用與被動(dòng)引用

JVM規(guī)范中要求在程序運(yùn)行過(guò)程中，“當(dāng)且僅當(dāng)”出現(xiàn)上述4個(gè)條件之一的情況才會(huì)初始化一個(gè)類。如果間接滿足上述初始化條件是不會(huì)初始化類的。

其中，直接滿足上述初始化條件的情況叫做主動(dòng)引用；間接滿足上述初始化過(guò)程的情況叫做被動(dòng)引用。

那么，只有當(dāng)程序在運(yùn)行過(guò)程中滿足主動(dòng)引用的時(shí)候才會(huì)初始化一個(gè)類，若滿足被動(dòng)引用就不會(huì)初始化一個(gè)類。

6.2.4 被動(dòng)引用的場(chǎng)景示例

示例一

public?class?Fu{
?public?static?String?name?=?"柴毛毛";
?static{
?System.out.println("父類被初始化！");
?}
}
public?class?Zi{
?static{
?System.out.println("子類被初始化！");
?}
}
public?static?void?main(String[]?args){
?System.out.println(Zi.name);
}

輸出結(jié)果：

父類被初始化！

柴毛毛

原因分析：

本示例看似滿足初始化時(shí)機(jī)的第一條：當(dāng)要獲取某一個(gè)類的靜態(tài)成員變量的時(shí)候如果該類尚未初始化，則對(duì)該類進(jìn)行初始化。

但由于這個(gè)靜態(tài)成員變量屬于Fu類，Zi類只是間接調(diào)用Fu類中的靜態(tài)成員變量，因此Zi類調(diào)用name屬性屬于間接引用，而Fu類調(diào)用name屬性屬于直接引用，由于JVM只初始化直接引用的類，因此只有Fu類被初始化。

示例二

public?class?A{
?public?static?void?main(String[]?args){
?Fu[]?arr?=?new?Fu[10];
?}
}

輸出結(jié)果：

并沒有輸出“父類被初始化！”

原因分析：

這個(gè)過(guò)程看似滿足初始化時(shí)機(jī)的第一條：遇到new創(chuàng)建對(duì)象時(shí)若類沒被初始化，則初始化該類。

但現(xiàn)在通過(guò)new要?jiǎng)?chuàng)建的是一個(gè)數(shù)組對(duì)象，而非Fu類對(duì)象，因此也屬于間接引用，不會(huì)初始化Fu類。

示例三

public?class?Fu{
?public?static?final?String?name?=?"柴毛毛";
?static{
?System.out.println("父類被初始化！");
?}
}
public?class?A{
?public?static?void?main(String[]?args){
?System.out.println(Fu.name);
?}
}

輸出結(jié)果：

柴毛毛

原因分析：

本示例看似滿足類初始化時(shí)機(jī)的第一個(gè)條件：獲取一個(gè)類靜態(tài)成員變量的時(shí)候若類尚未初始化則初始化類。

但是，F(xiàn)u類的靜態(tài)成員變量被final修飾，它已經(jīng)是一個(gè)常量。被final修飾的常量在Java代碼編譯的過(guò)程中就會(huì)被放入它被引用的class文件的常量池中（這里是A的常量池）。所以程序在運(yùn)行期間如果需要調(diào)用這個(gè)常量，直接去當(dāng)前類的常量池中取，而不需要初始化這個(gè)類。

6.2.5 接口的初始化

接口和類都需要初始化，接口和類的初始化過(guò)程基本一樣，不同點(diǎn)在于：類初始化時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)父類尚未被初始化，則先要初始化父類，然后再初始化自己；但接口初始化時(shí)，并不要求父接口已經(jīng)全部初始化，只有程序在運(yùn)行過(guò)程中用到當(dāng)父接口中的東西時(shí)才初始化父接口。

6.3 類加載的過(guò)程

通過(guò)之前的介紹可知，類加載過(guò)程共有5個(gè)步驟，分別是：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化。其中，驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析稱為連接。下面詳細(xì)介紹這5個(gè)過(guò)程JVM所做的工作。

6.3.1 加載

注意：“加載”是“類加載”過(guò)程的第一步，千萬(wàn)不要混淆。

在加載過(guò)程中，JVM主要做3件事情：

通過(guò)一個(gè)類的全限定名來(lái)獲取這個(gè)類的二進(jìn)制字節(jié)流，即class文件：
在程序運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)要訪問(wèn)一個(gè)類時(shí)，若發(fā)現(xiàn)這個(gè)類尚未被加載，并滿足類初始化時(shí)機(jī)的條件時(shí)，就根據(jù)要被初始化的這個(gè)類的全限定名找到該類的二進(jìn)制字節(jié)流，開始加載過(guò)程。
將二進(jìn)制字節(jié)流的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)在方法區(qū)中；
在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類型的對(duì)象：
接下來(lái)程序在運(yùn)行過(guò)程中所有對(duì)該類的訪問(wèn)都通過(guò)這個(gè)類對(duì)象，也就是這個(gè)Class類型的類對(duì)象是提供給外界訪問(wèn)該類的接口。

從哪里加載？

JVM規(guī)范對(duì)于加載過(guò)程給予了較大的寬松度。一般二進(jìn)制字節(jié)流都從已經(jīng)編譯好的本地class文件中讀取，此外還可以從以下地方讀?。?/p>

從壓縮包中讀取，如：Jar、War、Ear等。
從其它文件中動(dòng)態(tài)生成，如：從JSP文件中生成Class類。
從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取，將二進(jìn)制字節(jié)流存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后在加載時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取。有些中間件會(huì)這么做，用來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼在集群間分發(fā)。
從網(wǎng)絡(luò)中獲取，從網(wǎng)絡(luò)中獲取二進(jìn)制字節(jié)流。典型就是Applet。

類和數(shù)組加載過(guò)程的區(qū)別？

數(shù)組也有類型，稱為“數(shù)組類型”。如：

String[]?str?=?new?String[10];

這個(gè)數(shù)組的數(shù)組類型是Ljava.lang.String，而String只是這個(gè)數(shù)組中元素的類型。

當(dāng)程序在運(yùn)行過(guò)程中遇到new關(guān)鍵字創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組時(shí)，由JVM直接創(chuàng)建數(shù)組類，再由類加載器創(chuàng)建數(shù)組中的元素類。

而普通類的加載由類加載器完成。既可以使用系統(tǒng)提供的引導(dǎo)類加載器，也可以使用用戶自定義的類加載器。

加載過(guò)程的注意點(diǎn)

JVM規(guī)范并未給出類在方法區(qū)中存放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
類完成加載后，二進(jìn)制字節(jié)流就以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在方法區(qū)中，但存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由虛擬機(jī)自己定義的，JVM規(guī)范并沒有指定。
JVM規(guī)范并沒有指定Class對(duì)象存放的位置
在二進(jìn)制字節(jié)流以特定格式存儲(chǔ)在方法區(qū)后，JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類型的對(duì)象，作為本類的外部接口。既然是對(duì)象就應(yīng)該存放在堆內(nèi)存中，不過(guò)JVM規(guī)范并沒有給出限制，不同的虛擬機(jī)根據(jù)自己的需求存放這個(gè)對(duì)象。HotSpot將Class對(duì)象存放在方法區(qū)。
加載階段和連接階段是交叉的
通過(guò)之前的介紹可知，類加載過(guò)程中每個(gè)步驟的開始順序都有嚴(yán)格限制，但每個(gè)步驟的結(jié)束順序沒有限制。也就是說(shuō)，類加載過(guò)程中，必須按照如下順序開始：
加載、連接、初始化，但結(jié)束順序無(wú)所謂，因此由于每個(gè)步驟處理時(shí)間的長(zhǎng)短不一就會(huì)導(dǎo)致有些步驟會(huì)出現(xiàn)交叉。

6.3.2 驗(yàn)證

驗(yàn)證階段比較耗時(shí)，它非常重要但不一定必要，如果所運(yùn)行的代碼已經(jīng)被反復(fù)使用和驗(yàn)證過(guò)，那么可以使用-Xverify:none參數(shù)關(guān)閉，以縮短類加載時(shí)間。

驗(yàn)證的目的是什么？

驗(yàn)證是為了保證二進(jìn)制字節(jié)流中的信息符合虛擬機(jī)規(guī)范，并沒有安全問(wèn)題。

為什么需要驗(yàn)證？

雖然Java語(yǔ)言是一門安全的語(yǔ)言，它能確保程序猿無(wú)法訪問(wèn)數(shù)組邊界以外的內(nèi)存、避免讓一個(gè)對(duì)象轉(zhuǎn)換成任意類型、避免跳轉(zhuǎn)到不存在的代碼行，如果出現(xiàn)這些情況，編譯無(wú)法通過(guò)。也就是說(shuō)，Java語(yǔ)言的安全性是通過(guò)編譯器來(lái)保證的。

但是我們知道，編譯器和虛擬機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的東西，虛擬機(jī)只認(rèn)二進(jìn)制字節(jié)流，它不會(huì)管所獲得的二進(jìn)制字節(jié)流是哪來(lái)的，當(dāng)然，如果是編譯器給它的，那么就相對(duì)安全，但如果是從其它途徑獲得的，那么無(wú)法確保該二進(jìn)制字節(jié)流是安全的。通過(guò)上文可知，虛擬機(jī)規(guī)范中沒有限制二進(jìn)制字節(jié)流的來(lái)源，那么任意來(lái)源的二進(jìn)制字節(jié)流虛擬機(jī)都能接受，為了防止字節(jié)流中有安全問(wèn)題，因此需要驗(yàn)證！

驗(yàn)證的過(guò)程

（1）文件格式驗(yàn)證

這個(gè)階段主要驗(yàn)證輸入的二進(jìn)制字節(jié)流是否符合class文件結(jié)構(gòu)的規(guī)范。二進(jìn)制字節(jié)流只有通過(guò)了本階段的驗(yàn)證，才會(huì)被允許存入到方法區(qū)中。

本驗(yàn)證階段是基于二進(jìn)制字節(jié)流的，而后面的三個(gè)驗(yàn)證階段都是在方法區(qū)中進(jìn)行，并基于類特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的。

通過(guò)上文可知，加載開始前，二進(jìn)制字節(jié)流還沒進(jìn)方法區(qū)，而加載完成后，二進(jìn)制字節(jié)流已經(jīng)存入方法區(qū)。而在文件格式驗(yàn)證前，二進(jìn)制字節(jié)流尚未進(jìn)入方法區(qū)，文件格式驗(yàn)證通過(guò)之后才進(jìn)入方法區(qū)。也就是說(shuō)，加載開始后，立即啟動(dòng)了文件格式驗(yàn)證，本階段驗(yàn)證通過(guò)后，二進(jìn)制字節(jié)流被轉(zhuǎn)換成特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)至方法區(qū)中，繼而開始下階段的驗(yàn)證和創(chuàng)建Class對(duì)象等操作。這個(gè)過(guò)程印證了：加載和驗(yàn)證是交叉進(jìn)行的。

（2）元數(shù)據(jù)驗(yàn)證

本階段對(duì)方法區(qū)中的字節(jié)碼描述信息進(jìn)行

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