基础

1、运行

基本流程：Java 代码 -> 编译 -> class 字节码 -> load 方法区

内存划分：运行时数据存储堆、栈（Native 栈、线程执行位置的寄存器）

栈帧：存放局部变量和操作数

• Java 栈
  • 局部变量区：this 指针、方法参数（数组单元）、普通局部变量
  • 字节码操作数：

2、类加载

四大引用类型：

• 类（字节流）
• 接口（字节流）
• 数组类（虚拟机直接生成）
• 泛型参数（泛型擦拭，虚拟机中不存在）

加载 -> 链接 -> 初始化

类加载器：完成查找字节流，创建类

• bootstrap class loader：启动类加载器，C++ 实现，无 Java 对象
• java.lang.ClassLoader：父类（双亲委派机制）
  • extension class loader：加载 lib/ext 中的 jar 包的类（平台类加载器）
    • application class loader：加载 classpath 指定路径的类

链接：将创建好的类合并到 Java 虚拟机中

• 验证：确保被加载的类满足虚拟机的约束条件
• 准备：为类的静态字段分配内存，构造方法表（虚方法-动态绑定）
• 解析：编译器生成符号引用，用于定位；将符号引用解析为实际引用（若解析触发到未加载的类的字段或方法，则将触发该类的加载，但不会一定触发链接和初始化）

初始化：

• 声明时赋值： 方法中初始化（此方法由虚拟机加锁，确保仅执行一次）
• 静态代码块赋值： 方法中初始化（此方法由虚拟机加锁，确保仅执行一次）
• final static 基本类型或字符串：编译器将其标记为常量值，有虚拟机完成初始化

JVM 规范何时触发初始化部分场景：

• 虚拟机启动，初始化主类
• new 指令触发
• 静态方法调用
• 静态字段访问
• 子类初始化会触发父类初始化
• 反射调用
• 接口实现类会触发包含 default 方法的接口初始化

类的唯一性：

• 类加载器实例 + 类的全路径一起确定（不同的类加载器加载同一个类，得到的是两个不同的类）

• 方法是如何被执行调用的

  • 虚拟机识别方法：类名 + 方法名 + 方法描述符（参数类型 + 返回类型）
  • 重载：基于方法描述符（静态绑定/编译时多态；JVM 认为是解析时能够直接识别目标方法）
  • 重写：动态绑定（JVM 认为是运行时能够根据调用者的动态类型识别目标方法）
  • 方法调用指令：
    • invoke static：静态调用【静态绑定】
    • invoke special：接口默认实现调用、super 父类调用、私有实例调用【静态绑定】
    • invoke virtual：非私有实例调用【动态绑定】
    • invoke interface：接口调用【动态绑定】
    • invoke dynamic：动态调用
      • 方法句柄：
        • 参数类型 + 返回类型构成，能够直接执行引用
        • 没有反复检查权限的开销
        • 间接调用，无法内联
      • 第一次动态调用 jvm 将执行所对应的启动方法并绑定，再次执行则直接调用已绑定的调用点
  • 方法表：数组-指向当前类及祖先类中的非私有实例方法
    • 特征
      • 子类包含父类所有方法
      • 子类重写方法与父类方法索引相同（动态绑定中实际引用即是方法表索引值）
    • 虚方法表
    • 接口方法表

3、异常处理

• 抛出异常
  • 显式： throw
  • 隐式：虚拟机主动抛出异常状态
• 捕获异常
  • try：异常监控
  • catch：捕获指定类型的异常
  • finally：一定执行（或 catch 之后运行）
• Throwable
  • Error：终止线程、虚拟机，不可恢复【非检查类型异常】
  • Exception：
    • RuntimeException：【非检查类型异常】
    • 其他异常【检查类型异常】
• 异常表
  • 每个方法都有，每一条数据表示一个异常处理器
  • 异常处理器：from、to（监控范围）、target（起始位置） 指针和异常类型【指针值为字节码索引】
  • 抛出异常时，遍历当前方法异常表，匹配成功则跳转到 target 指针处，最坏情况遍历当前线程所有方法的异常表

4、如何反射

• method.invoke
  • 实际由 methodAccessor 实现
    • native 实现
    • 委派实现【最终还是调用 native 实现】
    • 动态生成字节码实现【直接使用 invoke 调用目标方法，免去 java -> c++ -> java 的转换过程，热点代码快，如果是仅调用一次还是 native 实现快】
  • 反射调用次数阈值：Dsun.reflect.inflationThreshold 15，调用次数小于阈值则采用 native 实现；大于或等于阈值使用动态生成字节码实现
  • 反射开销

    • class.forname 调用 native 方法

    • class.getMethod 遍历当前类和父类的公有方法，得到一份结果的拷贝，消耗堆空间

    • 变长参数 object 数组基本类型的装箱和拆箱

    • 方法内联

• Method.setAccessible 可绕过 java 访问权限检查

5、内存布局

• 新建对象方式：调用构造器时将优先调用父类构造器直至 object 类
  • 反射机制
    • 调用构造器初始化实例字段
  • new 指令
    • 调用构造器初始化实例字段
  • object.clone
    • 复制已有数据
  • 反序列化
    • 复制已有数据
  • unsafe.allocateInstance
    • 没有初始化实例字段
• java 对象
  • 对象头
    • 标记字段：存储有关当前对象的运行数据
    • 类型指针：指向当前对象所属的类
  • 压缩指针
  • 字段重排序

6、垃圾回收

• 对象回收分析
  • 引用计数：无法解决循环引用造成的泄漏问题
  • 可达性分析：解决循环引用问题
• stop-the-world：传统方法，垃圾回收开始时，停止非垃圾回收线程工作，使用安全点实现
• java 线程工作状态
  • 执行 JNI 代码
  • 解释执行字节码
  • 执行即时编译器生成机器码
  • 线程阻塞【安全点】
• 垃圾回收方式
  • 清除（跟踪回收）：
    • 容易产生内存碎片【堆中的对象内存分配是连续的】
    • 分配效率低【需要遍历空闲列表查找可分配的内存】
  • 压缩（标记清除）：
    • 把存活对象聚集
    • 解决内存碎片问题
    • 压缩算法开销大
  • 复制（复制收集）：
    • 内存划分为 from（分配内存）、to（存活对象使用的内存）
    • 解决内存碎片问题
    • 可使用内存减半
• 分代回收思想
  • 新生代：存储新建对象，minor GC 频繁
    • Eden 区
    • 2个 Survivor 区【from、to 区】
  • 老年代：
    • 存储存活时间长的对象
    • 会进行全堆性的 GC，耗时长
    • 卡表：存在老年代到新生代的引用，避免老年代全局扫描

编译

1、内存模型

• 多线程赋值乱序可能：
  • 编译器重排需
  • 处理器乱序执行
  • 内存系统重排序
• as-if-serial:
  • 单线程下，重排序执行和顺序执行的结果保持一致
• happens-before：线程内和线程外
  • 描述两个操作的可见性
  • 线程间的操作例子
    • 解锁之后的加锁操作
    • volatile 字段的写对应的读操作
    • 线程启动、线程终止、线程中断
    • 构造器的第一个操作
• 内存模型底层实现：内存屏障-禁止重排序
  • 锁-强制刷新缓存：使得当前线程所修改的内存对其他线程可见
  • volatile：可强制刷新缓存，每次访问均是直接从内存中读写

2、synchronized

• 此代码块编译生成以下指令 锁对象：拥有一个锁计数器和指向该锁的线程的指针

锁计数器：为了允许同一线程可重复获得锁

- 加锁：monitorenter指令
    - 执行时检测锁计数器为0，则该锁没有被其他线程持有，那么将线程指针指向当前线程，锁计数器+1
    - 执行时检测锁计数器不为0，再检测锁线程指针是否为当前线程，如是当前线程则锁计数器+1，否则等待直到持有锁的线程释放锁
- 解锁：monitorexit指令
    - 正常退出或者异常执行都需要解锁
    - 执行时锁计数器-1，当值为0时表示锁已经被释放

锁的类型

• 重量锁

  • 阻塞加锁失败的线程，锁释放时唤醒被阻塞的线程
  • 线程唤醒需要用户态和内核态的切换，消耗大
  • 自旋状态：处理器上轮询检查锁是否被释放，若释放锁则直接获取锁，无需进入阻塞状态
  • 自适应自旋：根据以往的等待时是否获得锁动态调整自旋时间
  • 缺点：不公平的锁机制，导致阻塞线程抢锁机会少

• 轻量锁

  • 加锁：
    • 先判断对象头中标记字段最后两位是否为重量锁，若不是，则在当前线程栈帧划分锁记录空间并存储锁对象的标记字段
    • 然后使用 CAS 替换锁对象的标记字段；CAS 检测当前标记字段最后两位为00，则获得锁；否则，若当前线程持有该锁，则清除锁记录，重新获取锁，若是其他线程持有该锁，则升级为重量锁，当前线程阻塞
  • 解锁：
    • 若当前锁记录值为 0 ，则直接返回
    • 否则进行 CAS 检测比较锁对象的标记记录是否为当前锁记录，若是则替换值并释放锁；若不是则进入重量锁的释放，唤醒被阻塞的线程

• 偏向锁

  • 从始至中只有一个线程来请求该锁，当锁请求时判断锁对象标记字段是否当前线程且epoch值是否相同，满足则持有该锁
  • 当 epoch 撤销次数达到阈值，表明不在合适偏向锁，则升级为轻量锁

3、语法糖

自动装箱、拆箱

• 类型缓存值，否则创建一个新的对象
• 缓存最高值可以调整，最低值不能调整

泛型擦拭

• java 程序上的范型信息在 JVM 内部全部丢失，为了兼容范型之前的代码
• 并不是所有范型擦拭之后都变成 object，而是都变成锁限定的继承类

4、即时编译

以方法为单位的即时编译

字节码翻译方式：

• 解释执行（逐条翻译并执行，需要等待翻译完成）
• 即时编译（按照方法为单位，翻译完成后执行）
  • 内联缓存优化：加快动态绑定【缓存调用者类型和目标方法】
  • 方法内联优化：消除方法调用的固定开销（固定开销：方法执行位置、创建栈帧、栈帧入栈和出栈带来的消耗）
• 混合模式（热点代码采用即时翻译）

分层编译（独立线程执行）：

• C1：适合对启动性能有要求的，优化简单，编译时间短（客户端）
• C2：适合对峰值性能有要求的，优化复杂，编译时间长（服务器）
• Graal：实验性

JVM 执行状态：

• 解释执行
• 执行不带 profiling 的 C1 代码
• 执行仅带方法调用次数和循环次数 profiling 的 C1 代码
• 执行带所有 profiling 的 C1 代码
• 执行 C2 代码

profiling：收集能反应程序执行状态的数据

java8 默认开启分层编译，关闭分层编译是直接使用 C2 编译。 循环回边：往回跳转指令

OSR 编译（以循环为单位的编译）：

• 判断一个方法是否为热点代码
  • 方法的调用次数
  • 循环回边的执行次数

5、中间表达形式 IR java源代码到机器码：

• java 编译器将源代码编译成 java 字节码
• 即时编译器将字节码编译成机器码

6、方法内联

编译过程中遇到方法调用时，将目标方法的方法体纳入编译范围内，取代原方法调用的优化

强制内联：@forceinline 注解指定

禁止内联：@dontinline 注解指定

native 方法不会被内联

去虚化：对虚方法调用去虚，转换为一个或者多个直接调用，再进行方法内联

• 完全去虚化
  • 通过类型推导和类层次分析，识别虚方法调用的唯一目标方法
  • 推导调用者的动态类型
  • 通过分析 JVM 所有已被加载的类，判断某个抽象方法或者接口方法是否只有一个实现，如果是则直接调用其具体实现
  • 如果使用使用 final 关键字修饰类，则表示没有子类，可以进行去虚化和方法内联
• 条件去虚化
  • 将虚方法调用转换为若干个类型测试以及直接调用

即时编译器如何决定方法是否被内联：

• 方法调用层数
• 放啊调用指令所在程序的路径热度
• 目标方法调用次数和方法大小
• IR 图大小

注解 @hotspotIntrinsicCandidate 方法虚拟机额外维护一套高效实现，高效实现依赖具体的 CPU 指令

7、逃逸分析

确定指针动态范围的静态分析，可以分析在程序的那些地方可以访问到指针

判断对象是否逃逸的依据：

• 对象是否被放入堆中（静态字段、堆中的实例字段）【堆中的对象能够被其他线程获取其引用】
• 对象是否被传入未知代码【未知代码：方法中未被内联的方法调用】

逃逸分析结果的用处：

• 用于锁消除：若该对象不逃逸，则可以不用给此对象进行加锁、解锁操作
• 用于栈分配：若该对象不逃逸，则新建的对象可以分配到栈空间，并在 new 语句所在的方法退出时，通过弹出当前方法栈帧来自动回收所分配的栈空间【所以为 new 指令创建的对象分配栈空间是有可能的，但是，hotspot 虚拟机并没有这么做】
• 用于标量替换：将原本对对象的字段的访问替换为一个个局部变量的访问

标量：只能存储一个值【局部变量】

聚合量：可同时存储多个值【对象】

代码优化

1、字段访问优化

即时编译器优化静态字段访问：减少总的内存访问次数

字段读取优化：减少内存访问次数，替换原先内存访问数据读取

字段存储优化：如果一个字段先后连续被存储多次，则消除之前的存储【如果存储字段被 volatile 标记，那么即时编译器不能将冗余的存储操作消除】

死代码消除：【局部变量的冗余存储】

不可达分支消除

2、循环优化

循环无关代码外提：循环体内，没有使用到循环对象的变量或语句应该外提

循环展开：循环体中重复多次循环迭代，并减少循环次数的编译优化

C2 中只有计数循环能够被展开：

1、维护一个循环计数器

2、循环计数器类型为 int\short\char，不能为其他

3、循环计数器增量为常数

4、循环计数器的上限、下限是与循环无关的数值

循环判断外提：将循环中的 if 语句外提

循环剥离：将循环的前或者后几个迭代剥离出循坏

附加

字节码修改工具：

• AsmTools
• ASM：asm.ow2.io/ 类字段排序查看工具：
• JOL javap：查看字节码