Class文件结构

• 视图文件结构-jclasslib
  

• Magic Number：【CA FE BA BE】 java文件

• Minor_Version：小版本号

• Major_Version：大版本号

• constant_pool_count：常量池数量

• constant_pool：常量池表 （constant_pool_count-1）

• access_flags：类的访问权限

• this_class：当前类的名称

• super_class：父类的名称

• interface_count：接口的数量

• interfaces：接口名称表

• fields_count:字段数量

• fields：字段表

• methods_count:方法数量

• methods：方法表

• attributes_count：属性数量

• attributes：属性表

JVM内存结构

类加载子系统

• Loading 加载阶段

  • 1、类加载器

    • bootstrap ：启动类加载器，加载 $JAVA_HOME/jre/lib/*.jar核心类库；
    • extension：标准扩展类加载器，加载$JAVA_HOME/jre/lib/ext/*.jar或者-Djava.ext.dirs指定；
    • application：应用程序（系统类）加载器，加载ClassPath中指定的jar包以及目录中的class；
    • custom：自定义类加载器,继承ClassLoader抽象类，重写findClass方法，如果重写loadClass可以打破双亲委派机制；

  • 2、双亲委派机制
    

    • 防止重复加载同一个.class。通过委托上一层检查，加载过了，就不用再加载一遍。保证数据安全。
    • 保证核心.class不能被篡改。通过委托方式，不会去篡改核心.class，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个Class对象。这样保证了Class执行安全。

  • 3、 解释模式（-Xint）、编译模式（-Xcomp）、混合模式（-Xmixed，热点代码检测（HotSpot），默认-XX:CompileThreshold=10000）

• Linking 连接阶段

  • 1、verification 验证：验证文件是否符合JVM规范
    • 文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证
  • 2、preparation 准备：为类的静态变量分配内存，并将其赋默认值
  • 3、resolution 解析：将类、方法、属性的符号引用替换为直接引用，常量池中各种符号引用解析为指针、偏移量等内存地址的直接引用

• Initializing 初始化

  • 静态成员变量赋初始值。
  • 当有继承关系时，先初始化父类再初始化子类，所以创建一个子类时其实内存中存在两个对象实例。
  • 当有成员变量时，new创建对象时，申请内存空间，成员变量赋默认值，调用构造器后成员变量赋初始值。

运行时数据区

• 程序计数器(Program Counter Register )

  程序计数器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。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。由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，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。

  • 如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址
  • 如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）

• 虚拟机栈(JAVA Virtual Machine Stack)

  • 与程序计数器一样，Java 虚拟机栈也是线程私有的，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（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基本类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型，它不等同于对象本身)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。
  • 异常情况
    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，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异常。
  • Demo
    
    • 指令
    • bipush 8：把8压入操作数栈（Operand Stack）；
    • istore_1：出栈，把栈中8这个值赋值给局部变量（Local Variable Table）表位置是1的变量i，变量等于8；
    • iload_1：把局部变量表（Local Variable Table）中位置是1的那个变量，压入操作数栈（Operand Stank）；
    • iinc 1 by 1：把局部变量表中（Loacal Variable Table）位置是1的那个变量加1，变量等于9；
    • istore_1：出栈，把栈中8这个值赋值给局部变量（Local Variable Table）表位置是1的变量i，变量等于8；
    • return：返回

• 本地方法栈（Native Method Stacks）
  本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法(也就是字节码)服务。本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。

  异常情况与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

• 堆（Heap）
  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中所有的对象实例都在这里分配内存。

  • 异常情况
    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。

• 方法区（Method Area）
  方法区与堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已JVM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。

  • Perm Space (<1.8)
    字符串常量位于PermSpace
    FGC不会清理
    大小启动的时候指定，不能变
  • Meta Space (>=1.8)
    字符串常量位于堆
    会触发FGC清理
    不设定的话，最大就是物理内存
  • 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。
  • 异常情况
    如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

执行引擎

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分，它是用于负责装载字节码到其内部，但是字节码并不能直接在操作系统上运行，那么执行引擎就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令。简单来说，JVM执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的翻译者。

• 解释器
  当Java虚拟机启动时会根据预定义对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“解释”为对应平台的本地机器指令执行。响应速度快，但是总体效率较低。
• JIT编译器
  虚拟机将源代码直接编译成本地机器平台相关的机器语言。寻找热点代码（就是高频执行的代码）将其放入元空间中，也就是元空间中存放的JIT缓存代码。响应速度稍慢，但是总体效率很高。有寻找热点代码的特性。
  HotSpot虚拟机内置了两个即时编译器，分别称为Client Compiler和Server Compiler。

Java语言是半编译半解释型语言。不要理解成是先编译后解释，是Java在执行Java代码时，HotSpot虚拟机默认是解释执行与编译执行二者结合起来进行的。

默认就是使用的Service模式、JIT编译和解释器执行混合模式（这样的模式执行效率最高）。
方法计数器，默认阀值，在Client模式下是1500次，Server是10000次，可以通过参数“-XX:CompileThreshold”来设定。

本地方法接口

一个Native Method就是Java调用非Java代码的接口（Java Native Interface），在定义一个native method的时候，并不提供实现体，其实现体是由非Java语言在外面实现的。

CPU内存结构图

缓存一致性协议

CPU中每个缓存行（caceh line)使用4种状态进行标记（使用额外的两位(bit)表示):

• M: 被修改（Modified)
  该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的（dirty),即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它CPU读取请主存中相应内存之前）写回（write back）主存。
  当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

• E: 独享的（Exclusive)
  该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的（clean)，与主存中数据一致。该状态可以在任何时刻当有其它CPU读取该内存时变成共享状态（shared)。

  同样地，当CPU修改该缓存行中内容时，该状态可以变成Modified状态。

• S:共享的（Shared)
  该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致（clean)，当有一个CPU修改该缓存行中数据，其它CPU中该缓存行可以被作废（变成无效状态（Invalid））。

• I: 无效的（Invalid）
  该缓存是无效的（可能有其它CPU修改了该缓存行）。

乱序问题

CPU为了提高指令执行效率，会在一条指令执行过程中（比如去内存读数据），去同时执行另一条指令，前提是，两条指令没有依赖关系，乱序执行。

内存屏障

• 1、硬件内存屏障 X86

  sfence: store| 在sfence指令前的写操作，必须在sfence指令后，写操作前完成。

  lfence：load | 在lfence指令前的读操作，必须在lfence指令后，读操作前完成。

  mfence：store/load | 在mfence指令前的读写操作，必须在mfence指令后的读写操作前完成。

• 2、原子指令，如x86上的”lock …” 指令是一个Full Barrier，执行时会锁住内存子系统来确保执行顺序，甚至跨多个CPU。Software Locks通常使用了内存屏障或原子指令来实现变量可见性和保持程序顺序。

• 3、JVM级别如何规范（JSR133）

  • LoadLoad屏障：
    对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，
    在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

  • StoreStore屏障：
    对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，
    在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

  • LoadStore屏障：
    对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，
    在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

  • StoreLoad屏障：
    对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，
    在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

伪共享问题

读取缓存以cache line为基本单位，目前64bytes
位于同一缓存行的两个不同数据，被两个不同CPU锁定，产生互相影响的伪共享问题，使用缓存行的对齐能够提高效率。

Java内存模型

java内存模型 - 同步操作与规则

Java内存模型-同步八种操作

• lock(锁定)：作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态
• read(读取) ： 作用于主内存的变量 , 把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用
• load(载入)：作用域工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量
• use (使用) ：作用于工作内存的变量 , 把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎use (使用) : 作用于工作内存的变量 , 把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎
• assign(赋值)：作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量
• store (存储)：作用于工作内存的变量 , 把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中 , 以便随后的write的操作
• write (写入)： 作用于主内存的变量, 它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中
• unlock(解锁)：作用于主内存的变量,把一个处于锁定状态的变量释放出来 , 释放后的变量才可以被其他线程锁定

Java内存模型-同步规则

• 如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存, 就需要按顺序地执 行read和load操作 , 如果把变量从工作内存中同步回主内存中, 就要按顺序地执行store和write操作. 但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行,而没有保证必须是连续执行
• 不允许read和load、 store和write操作之一单独出现
• 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作,即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中
• 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步回主内存中
• 一个新的变量只能在主内存中诞生, 不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量。 即就是对一个变量实施use和store操作之前 , 必须先执行过了assign和load操作
• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对 其进行lock操作 , 但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现
• 如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值, 在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定 , 则不允许 对它执行unlock操作 ; 也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量
• 对一个变量执行unlock操作之前 , 必须先把此变量同步到主内存中(执行store和write操作)

对象内存中的布局

• 对象的创建过程

  • loading 加载
  • linking 链接 （verification验证、preparation准备、resolution解析）
  • initializing 初始化
  • 申请对象内存，成员变量赋默认值
  • 成员变量初始化，实例代码块初始化，构造方法执行,优先调用父类构造器

• 虚拟机配置
  java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
  

  • -XX:InitialHeapSize=132046336(初始堆大小)
  • -XX:MaxHeapSize=2124486656 (最大堆大小)
  • -XX:+UseCompressedClassPointers class指针
  • -XX:+UseCompressedOops 普通对象指针
  • -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation
  • -XX:+UseParallelGC

• 普通对象

  • 对象头：MarkWord，8个字节

  • ClassPointer：-XX:+UseCompressedClassPointers 指针开启压缩4个字节，不开启为8字节

  • 实例数据 instance：

    • -XX:+UseCompressedOops【 Oops：Ordinary Object Pointers普通对象指针】：指针开启压缩4个字节，不开启为8字节

  • padding：对齐，8的倍数

• 对象头MarkWrod
  

  • lock：无锁(01)->偏向锁(01)–>轻量级锁(00)–>重量级锁(10)–>GC标记(11)
  • biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。
  • age：4位的Java对象年龄，最大值15。
  • identity_hashcode：25位的对象标识Hash码，采用延迟加载技术。
  • thread：持有偏向锁的线程ID。
  • epoch：偏向时间戳。
  • ptr_to_lock_record：指向栈中锁记录的指针，62，表示指向轻量级锁。
  • ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指针，62，表示指向重量级锁。