【深入理解Java虚拟机】学习小结

第一章 走近Java

摘书

1. Java各个版本新特性

• 1.0：Java1.0提供了一个纯解释执行的Java虚拟机实现（Sun Classic VM）。JDK1.0版本的代表技术包括：Java虚拟机、Applet、AWT等。
• 1.1：JDK1.1版的技术代表有：JAR文件格式、JDBC、JavaBeans、RMI。Java语法也有了一定的发展，如内部类（Inner Class）和反射（Reflection）都是在这个时候出现的。
• 1.2：Java技术体系开始分为3个方向，分别为J2SE、J2EE、J2ME。在这个版本中出现的代表性技术非常多，如EJB、Java Plus-in、Java IDL、Swing等，并且这个版本中Java虚拟机第一次内置了JIT（Just In Time）编译器（JDK1.2中曾并存过3个虚拟机，Classic VM、HotSpot VM和Exact VM，其中Exact VM只能以外挂的形式使用JIT编译器）。在语言和API级别上，Java添加了strictfp关键字与现在Java编码之中极为常用的一系列Collections集合类。
• 1.3：JDK1.3及其之后所有的版本默认虚拟机是HotSpot VM。JDK1.3相对于JDK1.2的改进主要表现在一些类库上（如数学运算和新的Timer API等），JNDI服务从JDK1.3开始被作为一项平台级服务提供（以前JNDI仅仅是一项拓展），使用CORBA IIOP来实现RMI的通信协议，等等。新添加了JavaSound类库。
• 1.4：JDK1.4同样发布了很多新的技术特性，如正则表达式、异常链、NIO、日志类、XML解析器和XSLT转换器等。
• 1.5：JDK1.5在Java语法易用性上做出了非常大的改进。例如，自动装箱、泛型、动态注解、枚举、可变长参数、遍历循环（foreach循环）等语法特性都是在JDK1.5中加入的。在虚拟机和API层面上，这个版本改进了Java的内存模型（Java Memory Model，JMM）、提供了java.util.concurrent并发包。
• 1.6：JDK1.6的改进包括：提供动态语言的支持（通过内置Mozila JavaScript Rhino引擎实现）、提供编译API和微信HTTP服务器API等。同时，这个版本对Java虚拟机内部做了大量改进，包括锁与同步、垃圾收集、类加载等方面的算法都有相当多的改动。
• 1.7：JDK1.7的主要改进包括：提供新的G1收集器（G1在发布时依然处在Experimental状态，直至2012年4月的Update4中才正式“转正”）、加强对非Java语言的调用支持、升级类加载架构等。

体会

第二章 Java内存区域与内存溢出异常

摘书

程序计数器

1. 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。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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，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实现。
2. 由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并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（对于多核处理器来说是一个内核）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。
3. 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Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMerroyError情况的区域。

Java虚拟机栈

1. 与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
2. 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、long、float、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，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其他与此对象相关的位置）和returnAddress（指向了一条字节码指令的地址）。
3. 其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1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，
4. 在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果拓展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMerroyError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方法与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMerroyError异常。

Java堆

1. 对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些为标的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
2. Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Surviver空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
3. 根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是可以连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可拓展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可拓展来实现的（-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也没法再拓展时，将会抛出OutOfMerroyError异常。

方法区

1. 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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范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做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。
2. Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可拓展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄露。
3. 根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMerroyError异常。

运行时常量池

1. 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（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
2. 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OutOfMerroyError异常。

直接内存

1. 在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于管道（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堆中的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。
2. 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，肯定还是会收到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，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），从而导致动态拓展时出现OutOfMerroyError异常。

对象的创建

1. 对象的创建过程：

• 虚拟机遇到一条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，那么必须先执行相应的类加载过程。
• 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后便可完全确定，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。
• 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（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时执行。
• 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（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。关于对象头的具体内容，稍后再做详细介绍。
• 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——方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令之后会接着执行方法，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。

体会

1. Java虚拟机运行时数据区分为五个部分，其中*方法区（Method Area）和堆（Heap）*是所有线程共享的数据区，虚拟机栈（VM Stack）、*本地方法栈（Native Method Stack）和程序计数器（Program Counter Register）*则是线程隔离的数据区。
2. 以前学的时候，只知道内存大致分为堆栈和方法区，这里的堆栈放在一起会让人觉得栈是所有线程共享的，后来了解到，栈是线程私有的。如果有一些线程共享的变量和方法被volatile和synchronized修饰，应该是存在方法区。
3. OutOfMerroyError内存溢出的错误不一定是堆内存的不够，在栈进行内存拓展的时候内存不够也会抛出这个异常。因此也需要关注是不是栈的异常情况。
4. 1.7之前的字符串常量池是在方法区中的，1.7及其以后版本就移到堆中。