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深入理解JVM_java代码的执行机制01
本章学习重点：
1、Jvm：
如何将java代码编译为class文件。
如何装载class文件及如何执行class文件。
jvm如何进行内存分配和回收。
jvm多线程：线程资源同步机制和线程之间交互的机制。
3.1 java代码的执行机制
java源码编译机制。
1、三个步骤：
分析和输入到符号表（Parse and Enter）
Parse过程所做的为词法和语法分析。
词法分析：将代码字符串转变为Token序列。
语法分析：根据语法由Token序列生成抽象语法树。
Enter过程为将符合好输入到符号表。
通常包括确定类的超类型和接口，根据需要添加默认构造器、将类中出现的符号输入类自身的符号表中等。
注解处理（Annotation Processing）
主要用于处理用户自定义的Annotation。
语义分析和生成class文件（Analyse and Generate）
Analyse基于抽象语法树进行一系列的语义分析。
包括 将语法树的名字、表达式等元素与变量、方法、类型等联系到一起；
检查变量使用前是否已声明；
推导泛型方法的类型参数；
检查类型匹配性；
检查所有语句都可到达；
检查所有checked exception都被捕获或抛出；
检查变量的确定性赋值（例如有返回值的方法必须确定有返回值）；
检查变量的确定性不重复赋值（例如声明为final的变量等）；
解除语法糖（消除if（false）{...}）形式的无用代码；
将泛型java转为普通java；
将含有语法糖的语法树改为含有简单语言结构的语法树，（例如foreach循环、自动装箱/拆箱等）；
等。
完成上述步骤，开始生成class文件。步骤为：
（1）将实例成员初始化器收集到构造器中，将静态成员初始化器收集为<clinit>()；
（2）将抽象语法树生成字节码，采用的方法为后序遍历语法树，并进行最后的少量代码转换；
（3）从符号表生成class文件。
2、class文件包含了以下信息：
结构信息：
class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息。
元数据：
简单来说，元数据对应的就是java源码中“声明”与“常量”的信息。
主要有：类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池。
方法信息：
简单来说，java源码中“语句”与“表达式”对应的信息。
主要有：字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试用符号信息。
类加载机制。
类加载机制是指class文件加载到JVM，并形成class对象的机制，之后应用就可对class对象进行实例化并调用。
1、分三个步骤：
装载（load）：
过程负责找到二进制字节码并加载到JVM中。
链接（Link）：
过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量及解析类中调用的接口、类。
校验如果不符合，则抛出VerifyError；
校验过程中如果碰到要引用到其他的接口和类，也会进行加载，如果失败，则抛出NoClassDefFoundError。
JVM初始化类中的静态变量，并赋默认值，最后对类中的所有属性，方法进行验证，如果该阶段失败，可能会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。
初始化（init）：
过程即执行类中的静态初始化代码，构造器代码及静态属性的初始化，以下4种情况下初始化过程会被触发执行：
调用了new；
反射调用了类中的方法；
子类调用了初始化；
JVM启动过程中指定的初始化类。
JVM的类加载通过ClassLoader及其子类来完成，分为：
BootStrap Class Loader；
采用C++实现，并非 ClassLoader的子类。JDK启动时会初始化此 ClassLoader；
Extension Class Loader；
用来加载扩展功能的一些jar包，例如：JDK目录下有dns工具jar包等；
System Class Loader；
用来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包及目录。
User-Defined Class Loader；
开发人员自行实现的ClassLoader。
2、类加载过程中的常见异常：
（1）ClassNotFoundException:
原因为在当前的ClassLoader中加载类时未找到类文件。
（2）NoClassDefFoundError:
原因为加载的类中引用到的另外的类不存在。
（3）LinkageError：
该异常在自定义ClassLoader的情况下更容易出现。原因是此类已经在ClassLoader加载过了，重复地加载会造成该异常。
（4）ClassCastException：
该异常有多种原因，JDK5支持泛型后，合理使用泛型可相对减少此异常的触发。
类执行机制。
2种方式：
1、字节码解释执行方式
在源码编译阶段将源码编译为JVM字节码，是一种中间代码的方式，要由JVM在运行期对其进行解释并执行。
JVM采用四个指令来执行不同的方法调用：
（1）invokestatic：
对应调用static方法。
（2）invokevirtual：
对应调用对象实例的方法。
（3）invokeinterface：
对应调用接口。
（4）invokesprcial：
对应调用private方法和编译源码后生成的<init>方法——此方法为对象实例化时的初始化方法。
JDK基于栈的体系结构来执行字节码：
线程在创建后，会产生程序计数器（PC registers）和栈（Stack）。
作用：
PC registers：存放了下一条要执行的指令在方法内的编译量。
栈：存放了栈帧，每个方法每次调用都会产生栈帧。
栈帧分为：局部变量和操作数栈。
作用：
局部变量：存放方法中的局部变量和参数。
操作数栈：存放方法执行过程中的中间结果。
| 局部变量区 | 操作数栈 | |
| Stack Frame（栈帧） | ||
| 局部变量区 | 操作数栈 | |
| Stack Frame（栈帧） | ||
| pc寄存器 | Stack |
三种执行方式：
（1）指令解释执行：
执行方式：获取下一条指令，解码并分派，然后执行。由于很多操作要将值放入到操作数栈中，导致了寄存器和内存要不断地交换数据，效率不高。
SUN JDK进行优化，主要有：栈顶缓存和部分栈帧共享。
（2）栈顶缓存：
将本来位于操作数栈顶的值直接缓存到寄存器上，对于大部分只需要一个值的操作而言，无须将数据放入操作数栈，可直接在寄存器计算，然后放回操作数栈。
（3）部分栈帧共享：
当调用方法时，后一方法可将前一方法的操作数栈作为当前方法的局部变量，从而节省数据copy带来的消耗。
2、编译执行
为了解决解释执行的效率问题，JDK提供将字节码编译为机器码的支持，编译在运行时进行，通常称为JIT编译器。
JDK在执行过程中对执行频率高的代码进行编译，对执行不频繁的代码则继续采用解释的方式，所以JDK又称为HotSpotVM。
在编译上提供2种模式：client compiler和server compiler。
（1）client compiler：
C1 轻量级，只做少量性能开销比高的优化，占用内存少，合适与桌面交互式应用。
在寄存器分配策略上，JDK6以后采用的为线性扫描寄存器分配算法。
其他地方优化：
方法内联：
把调用到的方法的指令直接植入当前方法中。
去虚拟化：
装载class之后，进行类层次分析，如类中的方法只提供一个实现类，那么对于调用了此方法的代码，也可进行方法内联。
冗余消除：
指在编译时，根据运行时状况进行代码的折叠和消除。
等。
（2）server compiler：
C2 重量级，大量的传统编译优化技巧来进行优化，占用内存多，适用于服务器端的应用。
采用的为传统的图着色寄存器分配算法。优化范围更多的在于全局的优化。
收集的信息：分支的跳转/不跳转的频率、某条指令上出现过的类型、是否出现过空值、是否出现过异常。
逃逸分析是很多优化的基础。指的是根据运行状态来判断方法中的变量是否会被外部读取，如不会则认为此变量是逃逸的。基于此在编译时会做：
标量替换：
用标量替换聚合量。
好处：如果创建的对象并未用到其中的全部变量，则可以节省一定的内存。对于代码执行，由于无须去找对象的引用，也会更快。
栈上分配：
如果没有，会在栈上直接创建对象实例，而不是在JVM堆上。
好处：栈上分配更快。回收时随方法的结束，对象也被回收了。
同步消除：
如果发现同步的对象未逃逸，就没有同步的必要，在编译时会直接去掉同步。
等。
运行后C1、C2编译出来的机器码如果不再符合优化条件，则会进行逆优化，也就是回到解释执行的方式。
一种特殊的编译为：OSR（On Stack Replace）。与C1、C2区别：
（1）OSR编译只替换循环代码体的入口；现象：方法的整段代码被编译了，但只有循环代码体才执行编译后的机器码，其他部分仍然是解释执行方式。
（2）C1、C2替换的方法调用的入口。
Sun JDK根据机器来选择C1和C2模式。当CPU超过2核且内存大于2GB时默认为C2模式，但是32位windows机器始终为C1模式。
未选择在启动时即编译成机器码的原因：
（1）静态编译并不能根据程序的运行状况来优化执行的代码。
（2）解释执行比编译执行更节省内存。
（3）启动时解释执行的启动速度比编译再启动更快。
未编译期间解释执行方式会比较慢，JDk主要依据方法上的2个计数器是否超过阀值。
（1）调用计数器，即方法被调用的次数。（CompileThreshold）
该值指当方法被调用多少次后，就编译为机器码。在client模式下默认为1500次，server模式下默认为10000次。
可通过启动时添加-XX：CompileThreshold=10000来设置该值。
（2）回边计数器，即方法中循环执行部分代码的执行次数。（OnStackReplacePercentage）
该值用于计算是否触发OSR编译的阀值。默认情况下client模式为933，server模式为140。
该值通过启动时添加-XX：OnStackReplacePercentage=140来设置。
注意：由于sun JDK这个特性，在对java代码进行性能测试时，要尤其注意是否事先做了足够次数的调用，以保证测试是公平的。
3、反射执行
反射和直接创建对象实例，调用方法的最大不同在于创建、方法调用的过程是动态的。
要实现动态调用，最直接的方法就是动态生成字节码，并加载到JVM中执行。
深入理解JVM_java代码的执行机制01
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