java虚拟机知识点简要梳理

首先来看一个java虚拟机的思维导图,下面每个知识点都可以进行展开，本篇只做简要梳理
上图是从类的整个生命来梳理的，包括类的加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载，将一一做简要介绍



一、加载
1.加载过程
a.通过类的全限定名获取类的二进制字节流，其中二进制字节流不一定是java语言编译的，只要是最终形成符合java字节流格式即可，比如jruby、jython、groovy等都可以编译成java的二进制字节流
b.将字节流转化为方法区运行时数据结构
c.在内存中生成一个代表该类的java.lang.Class对象，作为该类的访问入口
2.class文件结构
class文件格式采取类似于C语言结构体的伪结构来存储，只有两种数据类型，一个无符号类型，另一个是表，表由多个无符号类型和其他表结构组成的复合数据类型，整个class其实就是一张表。
ClassFile {

u4 magic;//魔数(0xCAFEBABE)

u2 minor_version;//次版本号

u2 major_version;//主版本号

u2 constant_pool_count;//常量池容量计数值

cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池

u2 access_flags;//访问标志

u2 this_class;//类索引

u2 super_class;//父类索引

u2 interfaces_count;//接口计数器

u2 interfaces[interfaces_count];//接口索引集合

u2 fields_count;//字段计数器

field_info fields[fields_count];//字段表

u2 methods_count;//方法计数器

method_info methods[methods_count];//方法表

u2 attributes_count;//属性表计数器

attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合

}
3.双亲委派模型
类加载采用的是双亲委派模型，用下图来说明



类加载器有四种，启动类加载器，是C/C++实现，无法在java代码中调用，扩展类加载器、应用类加载器和自定义类加载器，双亲委派模型指的是当前类加载器加载某个类的时候，如果没有找到，首先调用的父类加载器，如果父类加载器没有找到这个类，则再往上的父类查找，一直到顶层的启动类加载器，如果还是找不到，则启动类加载器尝试加载这个类，如果没有加载成功，则返回空给子加载器，子加载器如果也没有加载到，则继续往下的类加载器走，一直到当前类加载器。过程如下：
(1).如果一个类加载器收到了类加载请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器去完成。
(2).每一层的类加载器都把类加载请求委派给父类加载器，直到所有的类加载请求都应该传递给顶层的启动类加载器。
(3).如果顶层的启动类加载器无法完成加载请求，子类加载器尝试去加载，如果连最初发起类加载请求的类加载器也无法完成加载请求时，将会抛出ClassNotFoundException，而不再调用其子类加载器去进行类加载。
双亲委派模式的类加载机制的优点是java类它的类加载器一起具备了一种带优先级的层次关系，越是基础的类，越是被上层的类加载器进行加载，保证了java程序的稳定运行。
二、验证
1.文件格式验证
魔法数字、版本号、不支持的常量类型，索引值指向错误等
2.元数据验证
字节码描述信息语义分析。是否有父类、是否继承了不该继承的类、未实现抽象类或接口的全部方法等
3.字节码验证
程序语义是否合法、符合逻辑。
4.符号引用验证
该过程是在解析阶段发生的，符号引用转换成直接引用的时候。能否找到对应的类、符号引用中的类的方法、字段、类是否可被当前类访问等
三、准备
类变量初始化，分配内存并设置初始值("0"值)
四、解析
符号引用转化为直接引用
五、初始化
按照代码中定义的操作进行赋值操作和静态语句块的执行
六、使用
这一块的东西应该是最多的
1.运行时数据区
线程私有：
a.程序计数器
下一条需要执行的字节码命令
b.java虚拟机栈
(1)为每个方法的创建一个栈帧，方法的开始和结束对应栈帧的进栈和出栈
(2)栈帧包含局部变量表，操作数，动态链接，返回地址等
c.本地方法栈
和java虚拟机栈相似，只是执行的是本地方法
线程共享：
d.堆
存放对象实例和数组
e.方法区
保存了类信息，常量，静态变量，即时编译后的代码等数据
2.垃圾收集机制
上面的线程私有的不需要考虑回收问题，因为随着线程的结束或方法的结束，自然会被回收掉，而方法区的中数据保留的是类信息、常量、静态变量等，这一部分的数据很少需要被回收，因此重点在于堆里面的数据，而且这一块的数据是最多的。
(1)垃圾回收的原理
从一系列GC Roots对象出发，向下搜索，所走过的路径被称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何一条引用链时，该对象是不可用的，应该被回收掉。(可达性分析)
能够作为GC Roots基本上收集器很少或不会作用到的地方，比如方法区的静态变量或常量引用的对象，虚拟机栈或本地方法栈的引用的对象。
(2)垃圾收集机制
新生代和老年代采用的是不同的垃圾收集机制
a.新生代特点是朝生夕死。采用的复制算法，即可用的内存平均分为2块，每次只用一块，gc时，将使用的那一块存活的对象复制到另一块中，然后原有块空间一次清理掉。
b.年老代特点是生存周期比较长。采用的是标记整理算法或标记清除算法，标记清除算法是把要回收的对象进行标记，然后再把它清理掉，而标记压缩算法则是把所有存活的对象向一端移动，然后清理掉边界以外的空间。
(3)常用垃圾收集器和优缺点
垃圾收集器比较多，只列举典型的
Serial收集器：单线程收集器，简单高效，cpu利用率高，等待时间久
Parellel Scavenge收集器：多线程，停顿时间和吞吐量之间要平衡
CMS收集器：响应优先，停顿时间短
G1收集器：并行与并发、分代收集、空间整合、可预测停顿
3.java内存模型
(1)三大原则
原子性：基本的操作，比如read、load、assign、write、save等原子性的
有序性：单线程的执行结果是确定的，不会改变，多线程无此要求
先行原则：如果一个操作先行于另一个操作可见，必然先行于另一个操作
(2)volatile
用volatile修饰的变量，读取操作要从主内存直接读取最新的值，赋值操作完成之后要刷到主内存当中，该原理是通过插入内存屏障指令，由CPU原生就支持
(3)synchronized
和volatile所不同的是，代码块整个从主内存读取，然后解锁之前刷新到主内存，实现原理则是监控锁
(4)锁优化
a.自旋锁
短时间做空操作，没有获取锁则再阻塞
b.锁消除
如果一段代码确定不会被多个线程同时访问，则去掉锁
c.锁粗化
如果加锁和解锁频繁或者干脆在循环里，则考虑把锁粗化
d.轻量锁
通过CAS操作更新Mark Word上的锁状态，如果没有更新成功，则检查是否是当前线程获取锁，如果还不是，则阻塞
e.偏向锁
通过CAS操作获取了锁，如果下次还是同一个线程，则不再执行锁同步，直接执行代码块，如果不是，偏向锁失败，则阻塞
4.JIT技术
当某个方法通过计数的方式，当次数超过一定阈值时，会将其编译为本地码(时间会比较长)，当下次再调用该方法时，直接调用本地码。
七、卸载
虽然说有人把方法区称作为永久区，但实际上还是有可能被回收掉的，当某个类确定不再被使用时，可以从方法区中卸载

参考文档：
1.《深入理解java虚拟机》
2.class类文件解析(http://blog.csdn.net/kobejayandy/article/details/39620833)
3.双亲委派模型(http://blog.csdn.net/p10010/article/details/50448491)
4. java内存模型(http://blog.csdn.net/newhope1106/article/details/55803225)