《深入理解Java虚拟机》读书笔记

胡来的夏天
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一、走近Java

概述

Write Once，Run Anywhere。Java摆脱了硬件平台的束缚，实现了“一次编写，到处运行”的理想；它提供了一种相对安全的内存管理和访问机制，避免了绝大部分内存泄漏和指针越界问题；它实现了热点代码检测和运行时编译及优化，这使得Java应用能随着运行时间的增长而获得更高的性能；它有一套完善的应用程序接口，还有无数来自商业机构和开源社区的第三方类库来帮助用户实现各种各样的功能...

Java技术体系

我们可以把Java程序设计语言、Java虚拟机、Java类库这三部分统称为JDK（Java DevelopmentKit），JDK是用于支持Java程序开发的最小环境，把Java类库API中的Java SE API子集和Java虚拟机这两部分统称为JRE（Java Runtime Environment），JRE是支持Java程序运行的标准环境。

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按照技术关注的重点业务来划分的话，Java技术体系可以分为以下四条主要的产品线：

  1. Java Card：支持Java小程序（Applets）运行在小内存设备（如智能卡）上的平台。
  2. Java ME（Micro Edition）：支持Java程序运行在移动终端（手机、PDA）上的平台，对Java API有所精简，并加入了移动终端的针对性支持，这条产品线在JDK 6以前被称为J2ME。
  3. Java SE（Standard Edition）：支持面向桌面级应用（如Windows下的应用程序）的Java平台，提供了完整的Java核心API，这条产品线在JDK 6以前被称为J2SE。
  4. Java EE（Enterprise Edition）：支持使用多层架构的企业应用（如ERP、MIS、CRM应用）的Java平台，除了提供Java SE API外，还对其做了大量有针对性的扩充，并提供了相关的部署支持，这条产品线在JDK 6以前被称为J2EE，在JDK 10以后被Oracle放弃，捐献给Eclipse基金会管理，此后被称为Jakarta EE。

Java发展史

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Java虚拟机发展史

  • 虚拟机始祖：Sun Classic/Exact VM

  • 武林盟主：HotSpot VM

    • 它是Sun/OracleJDK和OpenJDK中的默认Java虚拟机，也是目前使用范围最广的Java虚拟机。
    • HotSpot既继承了Sun之前两款商用虚拟机的优点（如前面提到的准确式内存管理），也有许多自己新的技术优势，如它名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。
    • HotSpot虚拟机的热点代码探测能力可以通过执行计数器找出最具有编译价值的代码，然后通知即时编译器以方法为单位进行编译。如果一个方法被频繁调用，或方法中有效循环次数很多，将会分别触发标准即时编译和栈上替换编译（On-StackReplacement，OSR）行为。通过编译器与解释器恰当地协同工作，可以在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡，而且无须等待本地代码输出才能执行程序，即时编译的时间压力也相对减小，这样有助于引入更复杂的代码优化技术，输出质量更高的本地代码。

  • 小家碧玉：Mobile/Embedded VM

    • 面对移动和嵌入式市场的虚拟机

  • 天下第二：BEA JRockit/IBM J9 VM

    • 如果说HotSpot是天下第一的武林盟主，那曾经与HotSpot并称“三大商业Java虚拟机”的另外两位，毫无疑问就该是天下第二了，它们分别是BEA System公司的JRockit与IBM公司的IBM J9。
    • IBM J9虚拟机并不是IBM公司唯一的Java虚拟机，不过目前IBM主力发展无疑就是J9。

  • 软硬合璧：BEA Liquid VM/Azul VM

    • 我们平时所提及的“高性能Java虚拟机”一般是指HotSpot、JRockit、J9这类在通用硬件平台上运行的商用虚拟机，但其实还有一类与特定硬件平台绑定、软硬件配合工作的专有虚拟机，往往能够实现更高的执行性能，或提供某些特殊的功能特性。这类专有虚拟机的代表是BEA Liquid VM和AzulVM。

  • 挑战者：Apache Harmony/Google Android Dalvik VM

    • 这节介绍的Harmony虚拟机（准确地说是Harmony里的DRLVM）和Dalvik虚拟机只能称作“虚拟机”，而不能称作“Java虚拟机”，但是这两款虚拟机以及背后所代表的技术体系曾经对Java世界产生了非常大的影响和挑战，当时甚至有悲观的人认为成熟的Java生态系统都有分裂和崩溃的可能。

  • 没有成功，但并非失败：Microsoft JVM及其他

OpenJDK VS Orcale JDK

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  • Orcale JDK 就是我们平时说的 JDK
  • 在JDK 11以前，OracleJDK中还会存在一些OpenJDK没有的、闭源的功能，即OracleJDK的“商业特性”。例如JDK 8起从JRockit移植改造而来的Java Flight Recorder和Java Mission Control组件、JDK 10中的应用类型共享功能（AppCDS）和JDK 11中的ZGC收集器，这些功能在JDK 11时才全部开源到了OpenJDK中。到了这个阶段，我们已经可以认为OpenJDK与OracleJDK代码实质上[1]已达到完 全一致的程度。
  • OpenJDK 和 OracleJDK 在程序上是非常接近的，两者共用了绝大部分相同的代码，所以我们编译的OpenJDK，基本上可以认为性能、功能和执行逻辑上都和官方的OracleJDK是一致的。

二、自动内存管理

运行时数据区（内存模型）

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  1. 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器 的值来选取下一条需要执行的字节码指令，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。

每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程 之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

  1. Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期 与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都 会同步创建一个栈帧[1]（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信 息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、 float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始 地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和 double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编 译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定 的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚 拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[2]，当栈扩 展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异常。

  1. 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机 栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native） 方法服务。

  1. Java堆

对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所 有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩 展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再 扩展时，Java虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

  1. 方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载 的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中把 方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作“非堆”（Non-Heap），目的是与Java堆区 分开来。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

  1. 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字 段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生 成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量 一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常 量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的 intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存 时会抛出OutOfMemoryError异常。

  1. 直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中 定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现，所 以我们放到这里一起讲解。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区 （Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了 在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到 本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务 器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得 各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError异常。

HotSpot虚拟机执行过程

对象的创建

  1. 类加载

当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到 一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

  1. 分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成 后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一 边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那 个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump The Pointer）。但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那 就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分 配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称 为“空闲列表”（Free List）。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理（Compact）的能力决定。因此，当使用Serial、ParNew等带压缩 整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；而当使用CMS这种基于清除 （Sweep）算法的收集器时，理论上[1]就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题：对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象 A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种可选方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完 了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

  1. 初始化为零

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

  1. 设置必要信息

接下来，Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到 类的元数据信息、对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才 计算）、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

  1. 执行 init() 方法

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视 角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的init()方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。一般来说（由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定，Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此），new指令之后会接着执行init()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

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对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例 数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部 分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它 为“Mark Word”。

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对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针 来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话 说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，这点我们会在下一节具体讨论。此外，如果对 象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通 Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的 信息推断出数组的大小。

接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字 段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会 受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在Java源码中定义顺序的影响。 HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存 放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果HotSpot虚拟机的 +XX：CompactFields参数值为true（默认就为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空 隙之中，以节省出一点点空间。

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作 用。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是 任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数（1倍或者 2倍），因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

创建对象自然是为了后续使用该对象，我们的Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义 这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就 是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息：

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如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关 信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销：

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这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference本身不需要被修改。

使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本，就本书讨论的主要虚拟 机HotSpot而言，它主要使用第二种方式进行对象访问（有例外情况，如果使用了Shenandoah收集器的 话也会有一次额外的转发），但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中 使用句柄来访问的情况也十分常见。

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