JVM类加载

fairwork
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1、JVM类加载相关知识点

2、Java是解释型语言还是编译型语言？

  • 定义：
    • 编译型语言：把做好的源程序全部编译成二进制代码的可运行程序。然后，可直接运行这个程序。
    • 解释型语言：把做好的源程序翻译一句，然后执行一句，直至结束!
  • 特点：
    • 编译型语言，执行速度快、效率高；依靠编译器、跨平台性差。
    • 解释型语言，执行速度慢、效率低；依靠解释器、跨平台性好。
  • 举例：
    • 编译型的语言包括：C、C++、Delphi、Pascal、Fortran
    • 解释型的语言包括：Java、Basic、javascript.
  • Java语言分两部分，首选源代码编译成Java字节码，然后通过JVM加载Java字节码逐条将字节码翻译成机器码并执行。
    • 首先:将Java文件编译成.class文件，.class文件就是java字节码,但Java字节码硬件视角来看，Java 字节码无法直接执行，所以可以说Java不是编译型语言。
    • 其次:JVM加载Java字节码，将Java字节码翻译成机器码的过程有两种形式
      • 第一种是解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行；
      • 第二种是即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。
  • HotSpot默认采用混合模式,前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势在于实际运行速度更快。HotSpot默认采用混合模式，综合了解释执行和即时编译两者的优点。它会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。
  • JVM执行Java字节码的过程图
    JVM执行Java字节码的过程图

3、Java的即时编译（Just In Time, JIT）及其优化

Java程序最初是通过解释器进行解释执行的，当虚拟机发现某个方法或代码块运行的特别频繁时，会把这些代码认定为“热点代码”（Hot Spot Code）。为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机会把这些代码编译成本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化，完成这个任务的编译器称为即时编译器（JIT编译器，不是Java虚拟机内必须的部分）

解释器和编译器
  • 二者的优势：当程序需要快速启动和执行的时候，解释器可以首先发挥作用，省去编译的时间，立即执行。在程序运行后，随着时间的推移，编译器逐渐发挥作用，越来越多的代码被编译成本地代码，可以获取更好的执行效率。解释器比较节约内存，编译器的效率比较高。解释器还可以作为编译器激进优化操作的“逃生门”，当激进优化的假设不成立，就退回到解释状态继续执行。
    解释器和编译器的交互
  • HotSpot内置了两个编译器，分别是Client Compiler和ServerComplier，或者简称为C1和C2编译器。同时用到两个编译器的分层编 译（TieredCompilation）策略，使用后，C1和C2同时工作，有些代码可能多次编译，用C1获取更高的编译速度，C2获取更好的编译质量：
    • 第0层，程序解释执行，解释器不开启性能监视功能（Profiling），可触发第1层编译。
    • 第1层，也称为C1编译，将字节码编译成本地代码，进行简单、可靠的优化，若有必要将加入性能监控的逻辑。
    • 第2层，也称为C2编译，也是将字节码编译成为本地代码，但是会启动一些编译耗时较长的优化，甚至会根据性能监控进行一些不可靠的激进优化。
热点代码

  • 热点代码定义

    • 被多次调用的方法
    • 被多次执行的循环体

  • 判断一段代码是不是热点代码，是不是需要触发即时编译，这样的行为称为热点探测（Hot Spot Detection），目前有两种方法：

    • 基于采样的热点探测：采用这样的方法的虚拟机会周期性的检查各个线程的栈顶，如果发现某个（或某些）方法经常出现在栈顶，那这个方法就是“热点方法”。其好处就是实现简单、高效，还可以很容易的获取方法调用关系（将调用栈展开即可），缺点是很难精确的确认一个方法的热度，容易因为受到线程阻塞或别的外界因素的影响。
    • 基于计数器的热点探测：为每一个方法（甚至是代码块）建立计数器，统计方法的执行次数，超过一定的阈值就认为是“热点方法”。缺点是实现起来更麻烦，需要为每个方法建立并维护计数器，并且不能直接获取到方法的调用关系，优点是它的统计结果相对来说更加精确和严谨。

  • HotSpot虚拟机使用第二种，它为每个方法准备了两类计数器：方法调用计数器（Invocation Counter）和回边计数器（Back Edge Counter，用于统计一个方法中循环体代码执行的次数）。

JVM 的静态绑定和动态绑定

Java 虚拟机识别方法的关键在于类名、方法名以及方法描述符（method descriptor）。前面两个就不做过多的解释了。至于方法描述符，它是由方法的参数类型以及返回类型所构成。在同一个类中，如果同时出现多个名字相同且描述符也相同的方法，那么 Java 虚拟机会在类的验证阶段报错。

  • 静态多分派：编译期间通过类的静态类型和调用参数确定。(重载)
  • 动态单分派：运行期间通过类的实际类型确定。(多态)

分配

4、Java三种编译方式

Java程序代码需要编译后才能在虚拟机中运行，编译涉及到非常多的知识层面：编译原理、语言规范、虚拟机规范、本地机器码优化等；了解编译过程有利于了解整个Java运行机制，不仅可以使得我们编写出更优秀的代码，而且还可以使得在JVM调优时更得心应手。下面我们先来看下Java体系中的三种编译方式：前端编译、即时编译（JIT编译）、静态提前编译（AOT编译），先来了解它们各有什么优点和缺点，再来看看主流的前端编译+JIT编译方式的运作过程。

  1. 前端编译：把Java源码文件（.java）编译成Class文件(.class)的过程；也即把满足Java语言规范的程序转化为满足JVM规范所要求格式的功能；
  • 优点：
    • 这阶段的优化是指程序编码方面的；
    • 许多Java语法新特性（"语法糖"：泛型、内部类等等），是靠前端编译器实现的,而不是依赖虚拟机；
    • 编译成的Class文件可以直接给JVM解释器解释执行，省去编译时间，加快启动速度；
  • 缺点：
    • 对代码运行效率几乎没有任何优化措施；
    • 解释执行效率较低，所以需要结合下面的JIT编译；
  • 前端编译器：Oracle javac、Eclipse JDT中的增量式编译器（ECJ）等;
  1. 后端编译/即时(JIT)编译:通过Java虚拟机内置的即时编译器(JIT编译器)在运行时把Class文件字节码编译成本地机器码的过程;
  • 优点：
    • 通过在运行时收集监控信息，把"热点代码"编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化；
    • 可以大大提高执行效率；
  • 缺点：
    • 收集监控信息影响程序运行；
    • 编译过程占用程序运行时间（如使得启动速度变慢）；
    • 编译机器码占用内存；
  • JIT编译器：HotSpot虚拟机的C1、C2编译器等；
  • 另外:
    • JIT编译速度及编译结果的优劣，是衡量一个JVM性能的很重要指标；
    • 所以对程序运行性能优化集中到这个阶段；
    • 也就是说可以对这个阶段进行JVM调优；
  1. 静态提前编译（Ahead Of Time，AOT编译）: 程序运行前，直接把Java源码文件（.java）编译成本地机器码的过程；
  • 优点：
    • 编译不占用运行时间，可以做一些较耗时的优化，并可加快程序启动；
    • 把编译的本地机器码保存磁盘，不占用内存，并可多次使用；
  • 缺点：
    • 因为Java语言的动态性（如反射）带来了额外的复杂性，影响了静态编译代码的质量；
    • 一般静态编译不如JIT编译的质量，这种方式用得比较少；
  • 静态提前编译器（AOT编译器）：JAOTC、GCJ、Excelsior JET、ART (Android Runtime)等；
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