一、对象的分配

虚拟机遇到一条new指令时：根据new的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，如果没有，说明还未定义该类，抛出ClassNotFoundException。检查加载：先执行相应的类加载过程。如果没有，则进行类加载，可以用 javap 查看编译后的 java class 文件字节码。
打印对象的堆栈信息：javap -v -p -s -sysinfo -constants classes/org/jvminternals/SimpleClass.class。

public class com.chj.ch01.SimpleClass
minor version: 0
major version: 51
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref          #6.#17         // java/lang/Object."<init>":()V
#3 = String             #20            // Hello
....		// 省略
#30 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
public com.chj.ch01.SimpleClass();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0       5     0  this   Lcom/chj/ch01/SimpleClass;
public void sayHello();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #3                  // String Hello
5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
LineNumberTable:
line 5: 0
line 6: 8
LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0       9     0  this   Lcom/chj/ch01/SimpleClass;
}
SourceFile: "SimpleClass.java"

这个 class 文件展示了三个主要部分：常量池、构造器方法和 SimpleClass() 方法。

• 常量池：提供了通常由符号表提供的相同信息，详细描述见下文。
• 方法：每一个方法包含四个区域， ①签名和访问标签； ② 字节码； ③LineNumberTable：为调试器提供源码中的每一行对应的字节码信息。上面的例子中，Java 源码里的第 6 行与 sayHello 函数字节码序号 0 相关，第 7 行与字节码序号 8 相关。 ④ LocalVariableTable：列出了所有栈帧中的局部变量。上面两个例子中，唯一的局部变量就是 this。

这个 class 文件用到下面这些字节码操作符：

• aload0： 这个操作码是aload格式操作码中的一个。它们用来把对象引用加载到操作码栈。
  表示正在被访问的局部变量数组的位置，但只能是0、1、2、3 中的一个。还有一些其它类似的操作码用来载入非对象引用的数据，如iload, lload, float 和 dload。其中 i 表示 int，l 表示 long，f 表示 float，d 表示double。局部变量数组位置大于 3 的局部变量可以用 iload, lload, float, dload 和 aload 载入。这些操作码都只需要一个操作数，即数组中的位置
• ldc： 这个操作码用来将常量从运行时常量池压栈到操作数栈
• getstatic：这个操作码用来把一个静态变量从运行时常量池的静态变量列表中压栈到操作数栈
• invokespecial,invokevirtual 这些操作码属于一组函数调用的操作码，包括：invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual。在这个 class 文件中，invokespecial 和 invokevirutal 两个指令都用到了，两者的区别是，invokevirutal 指令调用一个对象的实例方法，invokespecial 指令调用实例初始化方法、私有方法、父类方法。
• return：这个操作码属于ireturn、lreturn、freturn、dreturn、areturn 和 return 操作码组。每个操作码返回一种类型的返回值，其中 i 表示 int，l 表示 long，f 表示 float，d 表示 double，a表示 对象引用。没有前缀类型字母的 return 表示返回 void跟任何典型的字节码一样，操作数与局部变量、操作数栈、运行时常量池的主要交互如下所示。

构造器函数包含两个指令。首先，this 变量被压栈到操作数栈，然后父类的构造器函数被调用，而这个构造器会消费 this，之后 this 被弹出操作数栈。

sayHello()方法更加复杂，正如之前解释的那样，因为它需要用运行时常量池中的指向符号引用的真实引用。第一个操作码getstatic从System类中将out静态变量压到操作数栈。下一个操作码ldc把字符串 “Hello”压栈到操作数栈。最后invokevirtual操作符会调用System.out变量的println方法，从操作数栈作弹出”Hello”变量作为println的一个参数，并在当前线程开辟一个新栈帧。

1、分配内存

接下来将为新生对象分配内存，对象所需内存在类加载完毕之后就可以完全确定，为对象分配内存空间的任务等同于把一块确定的大小的内存从Java堆中划分出来。

1.1、指针碰撞 (java堆内存空间规整的情况下使用)

为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。如果Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，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那边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”。

1.2、空闲列表 (java堆空间不规整的情况下使用)

如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，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”。
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压缩整理功能决定。

1.3、并发安全

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是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方案：

（1）、CAS机制

一种是对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。

（2）、分配缓冲

另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私有内存，也就是本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB），如果设置了虚拟机参数 -XX:+UseTLAB，在线程初始化时，同时也会申请一块指定大小的内存，只给当前线程使用，这样每个线程都单独拥有一个Buffer，如果需要分配内存，就在自己的Buffer上分配，这样就不存在竞争的情况，可以大大提升分配效率，当Buffer容量不够的时候，再重新从Eden区域申请一块继续使用。

TLAB的目的是在为新对象分配内存空间时，让每个Java应用线程能在使用自己专属的分配指针来分配空间（Eden区，默认Eden的1%），减少同步开销。TLAB只是让每个线程有私有的分配指针，但底下存对象的内存空间还是给所有线程访问的，只是其它线程无法在这个区域分配而已。当一个TLAB用满（分配指针top撞上分配极限end了），就新申请一个TLAB。

1.4、内存空间初始化init

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。（注意不是构造方法）内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(如int值为0，boolean值为false等等)。这一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，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

1.5、设置—对象头

接下来，虚拟机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、对象的GC分代年龄等信息，这些信息存放在对象的对象头之中。

• 对象头包括两部分： a) 储存对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分带年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳。 b)
  另一部分是指类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例（不是所有的虚拟机都必须在对象数据上保留类型指针的）。
  java数组的话，还得有一个用于记录数组长度的数据。
• 实例数据：
  是对象正常储存的有效信息，也是程序代码中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，都需要记录下来。
• 对齐填充:
  不是必然存在的，仅仅是起到占位符的作用。对象的大小必须是8字节的整数倍，而对象头刚好是8字节的整数倍(1倍或者2倍)，当实例数据没有对齐的时候，就需要通过对齐填充来补全

1.6、对象初始化

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，但从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，所有的字段都还为零值。所以，一般来说，执行new指令之后会接着把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

二、对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

1、使用句柄访问

如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将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的具体地址信息。　
优势：reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

2、直接指针

如果使用直接指针访问， reference中存储的直接就是对象地址。
优势：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。对Sun HotSpot而言，它是使用直接指针访问方式进行对象访问的。

三、堆内存分配策略

根据JVM内存区域的划分，简单的画了下方的这个示意图。区域主要分为两大块，一块是堆区（Heap），我们所New出的对象都会在堆区进行分配，在C语言中的malloc所分配的方法就是从Heap区获取的。而垃圾回收器主要是对堆区的内存进行回收的。

而另一部分则是非堆区，非堆区主要包括用于编译和保存本地代码的“代码缓存区(Code Cache)”、保存JVM自己的静态数据的“永生代（Perm Gen）”、存放方法参数局部变量等引用以及记录方法调用顺序的“Java虚拟机栈（JVM Stack）”和“本地方法栈（Local Method Stack）”。

新生代、Eden区、Survivor(from)区：

设置Survivor是为了减少送到老年代的对象，设置两个Survivor区是为了解决碎片化的问题（复制回收算法）。

堆中参数配置：
新生代大小: -Xmn20m 表示新生代大小20m(初始和最大)
-XX:SurvivorRatio=8 表示Eden和Survivor的比值，
缺省为8 表示 Eden:From:To= 8:1:1
2 Eden:From:To=  2:1:1

垃圾回收器主要回收的是堆区中未使用的内存区域，并对相应的区域进行整理。在堆区中，又根据对象内存的存活时间或者对象大小，分为“年轻代”和“年老代”。“年轻代”中的对象是不稳定的易产生垃圾，而“年老代”中的对象比较稳定，不易产生垃圾。之所以将其分开，是分而治之，根据不同区域的内存块的特点，采取不同的内存回收算法，从而提高堆区的垃圾回收的效率。下方会给出具体的介绍。

1、对象优先在Eden区分配

虚拟机参数：-Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDetails 打印垃圾回收日志，程序退出时输出当前内存的分配情况
注意：新生代初始时就有大小，默认为2M左右。
大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。代码与执行结果如下：

byte[] b1,b2,b3,b4;
b1 = new byte[1*_1MB];  b2 = new byte[1*_1MB];
b3 = new byte[1*_1MB];  b4 = new byte[1*_1MB];

2、大对象直接进入老年代

Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails -XX:PretenureSizeThreshold=2m -XX:+UseSerialGC
-XX:PretenureSizeThreshold=4m 设置对象大于4M就直接进入老年代，也就是元空间。
-XX:+UseSerialGC

注意：PretenureSizeThreshold参数只对Serial和ParNew两款收集器有效。

最典型的大对象是那种很长的字符串以及数组。这样做的目的：1.避免大量内存复制,2.避免提前进行垃圾回收，明明内存有空间进行分配。

3、长期存活对象进入老年区

当Eden内存满了以后会触发GC，如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中（form、to区），并将对象年龄设为1，对象在Survivor区中每熬过一次 Minor GC，年龄就增加1，对象会在from区和to区来回存放（采用的复制算法），当它的年龄增加到一定程度(默认为15)时，就会被晋升到老年代中。

4、对象年龄动态判定

如果在 Survivor空间中相同年龄所有对象大小的综合大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。

5、空间分配担保

在发生Minor GC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的，如果担保失败则会进行一次Full GC；如果小于，或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次Full GC。

注意：JDK8废弃永久代
1.新生代：Eden+From Survivor+To Survivor
2.老年代：OldGen
3.永久代（方法区的实现）: PermGen----->替换为Metaspace(本地内存中)
为什么废弃永久代（PermGen）？
移除永久代是为融合HotSpot JVM与 JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。

四、深入理解元空间（Metaspace）

1、元空间的内存大小

元空间是方法区的在HotSpot jvm 中的实现，方法区主要用于存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码等。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。，理论上取决于32位/64位系统可虚拟的内存大小。可见也不是无限制的，需要配置参数。

2、常用配置参数

• MetaspaceSize初始化大小 初始化的Metaspace大小，控制元空间发生GC的阈值。GC后，动态增加或降低MetaspaceSize。在默认情况下，这个值大小根据不同的平台在12M到20M浮动。使用Java
  -XX:+PrintFlagsInitial命令查看本机的初始化参数
• MaxMetaspaceSize最大上限 限制Metaspace增长的上限，防止因为某些情况导致Metaspace无限的使用本地内存，影响到其他程序。在本机上该参数的默认值为4294967295B（大约4096MB）。
• MinMetaspaceFreeRatio内存扩展比例 当进行过Metaspace GC之后，会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比小于这个参数（即实际非空闲占比过大，内存不够用），那么虚拟机将增长Metaspace的大小。默认值为40，也就是40%。设置该参数可以控制Metaspace的增长的速度，太小的值会导致Metaspace增长的缓慢，Metaspace的使用逐渐趋于饱和，可能会影响之后类的加载。而太大的值会导致Metaspace增长的过快，浪费内存。
• MaxMetasaceFreeRatio内存释放比例 当进行过Metaspace GC之后， 会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比大于这个参数，那么虚拟机会释放Metaspace的部分空间。默认值为70，也就是70%。
• MaxMetaspaceExpansion
  Metaspace增长时的最大幅度。在本机上该参数的默认值为5452592B（大约为5MB）。
• MinMetaspaceExpansion
  Metaspace增长时的最小幅度。在本机上该参数的默认值为340784B（大约330KB为）。

3、总结永久代废弃原因：

• 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
• 类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
• 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
• Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

五、Java中的泛型

1、泛型是什么

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

泛型的本质是为了参数化类型（在不创建新的类型的情况下，通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型）。也就是说在泛型使用过程中，操作的数据类型被指定为一个参数，这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。
引入一个类型变量T（其他大写字母都可以，不过常用的就是T，E，K，V等等），并且用<>括起来，并放在类名的后面，泛型类是允许有多个类型变量的。

1.1 泛型类

public class NormalGeneric<T> {
private T data;
public NormalGeneric() {
}
public NormalGeneric(T data) {
this();
this.data = data;
}

1.2 泛型接口

泛型接口与泛型类的定义基本相同。

public interface Generator<T> {
public T next();
}

而实现泛型接口的类，有两种实现方法：
1）未传入泛型实参时：

public class ImplGenerator<T> implements Generator<T> {
private T data;
public ImplGenerator(T data) {
this.data = data;
}

在new出类的实例时，需要指定具体类型：

public static void main(String[] args) {
ImplGenerator<String> implGenerator = new ImplGenerator<>("King");
System.out.println(implGenerator.next());
}

2）传入泛型实参

public class ImplGenerator2 implements Generator<String> {
@Override
public String next() {
return "King";
}

在new出类的实例时，和普通的类没区别。
1.3 泛型方法
泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型 ，泛型方法可以在任何地方和任何场景中使用，包括普通类和泛型类。

public class GenericMethod {
//泛型方法
public <T> T genericMethod(T t){
return t;
}
//普通方法
public void test(int x,int y){
System.out.println(x+y);
}
public static void main(String[] args) {
GenericMethod genericMethod = new GenericMethod();
genericMethod.test(13,7);
System.out.println(genericMethod.<String>genericMethod("King"));
System.out.println(genericMethod.genericMethod(180));
}
}

2、为什么我们需要泛型？

通过两段代码我们就可以知道为何我们需要泛型

public class NeedGeneric {
public int addInt(int x,int y){
return x+y;
}
public float addFloat(float x,float y){
return x+y;
}
public static void main(String[] args) {
//不使用泛型
NeedGeneric needGeneric = new NeedGeneric();
System.out.println(needGeneric.addInt(1,2));
System.out.println(needGeneric.addFloat(1.2f,2.4f));
//使用泛型
System.out.println(needGeneric.add(3.2d,4.5d));
System.out.println(needGeneric.add(1,2));
}
//泛型方法
public <T extends Number> double add(T x,T y){
return x.doubleValue()+y.doubleValue();
}
}

实际开发中，经常有数值类型求和的需求，例如实现int类型的加法, 有时候还需要实现long类型的求和, 如果还需要double类型的求和，需要重新在重载一个输入是double类型的add方法。

所以泛型的好处就是：

• 适用于多种数据类型执行相同的代码。
• 泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换。

3、虚拟机是如何实现泛型的？

Java语言中的泛型，它只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经替换为原来的原生类型（Raw Type，也称为裸类型）了，并且在相应的地方插入了强制转型代码，因此，对于运行期的Java语言来说，ArrayList＜int＞与ArrayList＜String＞就是同一个类，所以泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖，Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除，基于这种方法实现的泛型称为伪泛型。

将一段Java代码编译成Class文件，然后再用字节码反编译工具进行反编译后，将会发现泛型都不见了，程序又变回了Java泛型出现之前的写法，泛型类型都变回了原生类型（因为）

public class Theory {
public static void main(String[] args) {
Map<String,String> map = new HashMap<>();
map.put("King","18");
System.out.println(map.get("King"));
}
}

编译后的代码如下：map.get(“King”) ==> (String)map.get(“King”)

public class Theory {
public Theory() { }
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> map = new HashMap();
map.put("King", "18");
System.out.println((String)map.get("King"));
}
}

4、使用泛型注意事项（了解即可）

public class Conflict {
public static String method(List<String> stringList){
System.out.println("List");
return "OK";
}
public static Integer method(List<Integer> integerList){
System.out.println("List");
return 0;
}
}

上面这段代码是不能被编译的，因为参数List＜Integer＞和List＜String＞编译之后都被擦除了，变成了一样的原生类型List＜E＞，擦除动作导致这两种方法的特征签名变得一模一样（注意在IDEA中是不行的，但是jdk的编译器是可以，因为jdk是根据方法返回值+方法名+参数）。
JVM版本兼容性问题：JDK1.5以前，为了确保泛型的兼容性，JVM除了擦除，其实还是保留了泛型信息(Signature是其中最重要的一项属性，它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名，这个属性中保存的参数类型并不是原生类型，而是包括了参数化类型的信息)——弱记忆。
另外，从Signature属性的出现我们还可以得出结论，擦除法所谓的擦除，仅仅是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，实际上元数据中还是保留了泛型信息，这也是我们能通过反射手段取得参数化类型的根本依据。

LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0       5     0  this   Lcom/chj/capt02/gengric/NormalGeneric;
LocalVariableTypeTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0       5     0  this   Lcom/chj/capt02/gengric/NormalGeneric<TT;>;
Signature: #29                          // ()TT;