深入理解Java虚拟机（1~8）

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1. java代码是怎么运行的

Java将运行时的内存区域划分为五个部分，如下图所示

从虚拟机的视角来看

执行java代码首先需要将它编译后的class文件加载到虚拟机中，加载后的Java类会被存放到方法区中，实际运行时，虚拟机会执行方法区中的代码。在运行过程中，每当调用进入一个Java方法，java虚拟机就会在当前线程的Java方法栈中生成一个栈帧，用以存放该方法的局部变量和字节码操作数，当退出当前执行方法时，无论方法是正常返回还是异常返回，Java虚拟机均会弹出当前栈帧，并将之舍弃。

从硬件的视角来看

Java字节码无法直接执行，因此Java虚拟机需要将字节码翻译为机器码执行。在Hotspot虚拟机中，此翻译过程有两种方式：

  1. 解释执行：逐条将字节码翻译为机器码并执行，优点：无需等待
  2. 即时翻译：将一个方法中包含的字节码全部翻译成机器码后再执行。优点：实际运行速度快

Hotspot内置了多个即时编译器，C1，C2，Graal

  1. C1：又被叫做Client编译器，面向的是对启动性能有要求的GUI程序
  2. C2：又被叫做Server编译器，面向的是对峰值性能有要求的服务端程序

从Java7之后，Hotspot采用了分层编译模式：热点代码会被C1进行编译，而热点中的热点代码会进一步被C2进行编译。Hotspot会根据CPU数量及编译线程数目，按1:2的比例配置给C1和C2。

2. 类的加载过程

java虚拟机将字节流转化为java类的过程分为三个部分：加载、链接、初始化。

加载：加载是指查找字节流并以此创建类的过程。加载需要借助类加载器，在java虚拟机中类加载器采用双亲委派模型，即受到类加载请求，会先将请求交给父加载器加载，如果父加载器不能加载才由自己进行加载。

链接：链接是指将创建的类合并至java虚拟机中，此过程分为三个部分：验证、准备、解析，其中解析过程是非必须的。

初始化：初始化则是为标记为常量值的字段赋值，以及执行方法的过程，类的初始化仅会被执行一次。

类的初始化何时会被触发呢？JVM 规范枚举了下述多种触发情况：

  1. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类；
  2. 当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类；
  3. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；
  4. 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；
  5. 子类的初始化会触发父类的初始化；
  6. 如果一个接口定义了 default 方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接 口的初始化；
  7. 使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类；
  8. 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。

根据这个特性，我们可以实现单例的延迟初始化

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public class Singleton {
  private Singleton() {}
  private static class LazyHolder {
    static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
  }
  public static Singleton getInstance() {
    return LazyHolder.INSTANCE;
  }
}

用命令查看类加载的先后顺序

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// 编译
javac Singleton.java
// 加入参数-verbose:class，查看类加载的先后顺序
java -verbose:class Singleton

3. JVM是如何处理异常的

在编译生成的字节码中，都有一个异常表，异常表中每一个条目对应一个异常处理器，并且由from指针，to指针，target指针和type（异常捕获类型）组成。from和to指针标识了该异常的监控范围（也就是try代码块所覆盖的范围），而target指针则指向了异常处理器的起始位置（也就是catch代码块位置）

当程序触发异常时

当程序触发异常时，java虚拟机会从上至下遍历异常表中的条目，当触发异常的字节码索引在某个异常表条目的监控的范围之内，则会判断抛出的异常与该条目要捕获的异常是否匹配，如果匹配，Java虚拟机会将控制流转向该条目target指针所指向的字节码。如果遍历整个异常条目仍未匹配异常处理器，那么它会弹出当前方法对应的栈帧，并且在调用者用重复上诉操作，在最坏的情况，Java虚拟机需要遍历当前线程Java栈的上所有方法的异常表。

finally代码块如果保证必须执行的

Java编译器会复制finally块中的内容，分别放到try-catch块的正常执行路径和异常执行路径出口中。

为什么抛异常很耗费性能

JVM在构造异常实例时需要生成该异常的栈轨迹。这个操作会逐一访问当前线程的栈帧，并且记录下各种调试信息，包括栈帧所指向方法的名字，方法所在的类名、文件名，以及在代码中的第几行触发该异常等信息。

Supressed 异常

如果 catch 代码块捕获了异常，并且触发了另一个异常，那么 finally 捕获并且重抛的异常是哪个呢？答案是后者。也就是说原本的异常便会被忽略掉，这对于代码调试来说十分不利。为此Java 7 引入了 Supressed 异常来解决这个问题。这个新特性允许开发人员将一个异常附于另一个异常之上。因此，抛出的异常可以附带多个异常的信息。

try-with-resources

主要是为了精简资源打开关闭的用法。程序可以在 try 关键字后声明并实例化实现了 AutoCloseable 接口的类，编译器将自动添加对应的 close() 操作。在声明多个 AutoCloseable 实例的情况下，编译生成的字节码类似于上面手工编写代码的编译结果。与手工代码相比，try-with-resources 还会使用 Supressed 异常的功能，来避免原异常“被消失”

4. JVM是如何进行反射调用的

在默认情况下，方法的反射调用为委派实现，委派给本地实现来进行方法调用。在调用超过 15 次之后，委派实现便会将委派对象切换至动态实现。这个动态实现的字节码是自动生成的，它将直接使用 invoke 指令来调用目标方法。

反射调用的开销

  1. 避免返回数组

    getMethod+为代表的查找方法操作，会返回查找得到结果的一份拷贝。因此，我们应当避免在热点代码中使用返回+Method+数组的+getMethods+或者+getDeclaredMethods+方法，以减少不必要的堆空间消耗。

  2. 避免自动拆箱装箱

    由于变长参数会被编译器自动生成一个Object数组，而Object数据是不能存储基本数据类型的，所以这里就需要对int类型的进行自动装箱，默认int缓存范围为[-128~127]，当数值在这个范围之内就会返回缓存的Integer对象，避免新建Integer对象，所以我们可以将这个缓存的范围扩大至覆盖 128（对应参数 -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=128

开销总结

方法的反射调用会带来不少性能开销，原因主要有三个：变长参数方法导致的 Object 数组，基本类型的自动装箱、拆箱，还有最重要的方法内联

方法内联

方法内联指的是编译器在编译一个方法时，将某个方法调用的目标方法也纳入编译范围内，并用其返回值替代原方法调用这么个过程。

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