java进阶-jvm精讲及实战

1.引言

jvm是深入了解java底层逻辑的必备知识储备,在中大型开发团队里,中高级工程师必须要了解和掌握,也是中高级工程师面试必考题,在实战中用于程序性能调优,内存泄露分析等

2.jvm概念理解

1.1什么是jvm

Java虚拟机（Java Virtual Machine 简称JVM）是运行所有Java程序的抽象计算机，是Java语言的运行环境，它是Java 最具吸引力的特性之一。

Java虚拟机有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈等，还具有相应的指令系统。

Java虚拟机本质上就是一个程序，当它在命令行上启动的时候，就开始执行保存在某字节码文件中的指令。Java语言的可移植性正是建立在Java虚拟机的基础上。任何平台只要装有针对于该平台的Java虚拟机，字节码文件（.class）就可以在该平台上运行。这就是“一次编译，多次运行”。

Java虚拟机不仅是一种跨平台的软件，而且是一种新的网络计算平台。该平台包括许多相关的技术，如符合开放接口标准的各种API、优化技术等。Java技术使同一种应用可以运行在不同的平台上。Java平台可分为两部分，即Java虚拟机（Java virtual machine，JVM）和Java API类库。

1.2 jvm功能

• 解释和运行

对文件字节码里的指令，解释成机器语言，让计算机执行

• 2.内存管理

自动为对象、方法分配内存
自动的垃圾回收机制，回收不在使用的对象

• 3.即时编译

jvm为取得跨平台的效果，在程序每次运行时，必须把编译文件class翻译成机器指令，称之为实时翻译，而c/c++等语言是在编译
就就转化成机器指令，这个使java的自己执行效率天生不如c/c++等语言.
java采用了即使编译的技术方案，对热点代码进行优化，提升执行效率。
即时编译
（英语：just-in-time compilation，缩写为JIT；又译及时编译、实时编译），也称为动态翻译或运行时编译，是一种执行计算机代码的方法，这种方法涉及在程序执行过程中（在运行期）而不是在执行之前进行编译。

热点代码
如果java发现一段代码反复出现，就会判断为热点代码，jvm会把这段代码编译成机器指令保存在内存里，下次操作时会直接调用内存里的代码，而不需要再转化成机器代码再执行，从而提高了执行效率

1.3 jvm规范及主流版本

• JVM虚拟机规范由oracle制定，主要包含了java虚拟机再涉及和实现时需要准寻的规范，主要包含class字节码文件的定义、类和接口的加载和初始化、指令集等

• 规范时对虚拟机设计的要求，而而不是对java设计的要求，也就是说虚拟机可以运行再其他语言比比如Groovy,Scala生成的class字节码文件之上

参考网址
https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html

主流jvm版本

jvm版本发展历程

jvm有很多版本，我们一般使用HotSpot版本

1.4 jre jdk jvm的区别和联系

三者的大致结构是这样的，简单来说就是JDK包含JRE,JRE又包含JVM的关系。如下图所示：

• JDK
  JDK是整个JAVA的核心，包括了Java运行环境JRE（Java Runtime Envirnment）、一堆Java开发工具（javac/java/jdb等）和Java基础的类库（即Java API 包）。

• JRE
  JRE：Java Runtime Environment，是java运行时的环境，包含了java虚拟机，java基础类库，是使用java语言编写的程序运行所需要的软件环境。
  JRE：Java runtime environment 是运行基于Java语言编写的程序所不可缺少的运行环境，用于解释执行Java的字节码文件。

通过它，Java的开发者才得以将自己开发的程序发布到用户手中，让用户使用。
JRE中包含了Java virtual machine（JVM），runtime class libraries和Java application launcher，这些是运行Java程序的必要组件。
与大家熟知的JDK不同，JRE是Java运行环境，并不是一个开发环境，所以没有包含任何开发工具（如编译器和调试器），只是针对于使用Java程序的用户

上图是Java中JRE的安装目录，里面有两个文件夹bin和lib。你可以认为bin里的就是JVM，lib中则是JVM工作所需要的类库，而JVM和 lib和起来就称为JRE；

• JVM
  JVM：Java Virtual Machine 是Java的虚拟机，是JRE的一部分。它是整个java实现跨平台的最核心的部分，负责解释执行字节码文件，是可运行java字节码文件的虚拟计算机。
  所有平台的上的JVM向编译器提供相同的接口，而编译器只需要面向虚拟机，生成虚拟机能识别的代码，然后由虚拟机来解释执行。

1.5 jvm组成

jvm由以下四部分组成：
类加载器（ClassLoader）
运行时数据区（Runtime Data Area）
执行引擎（Execution Engine）
本地库接口（Native Interface）

组成说明

1.程序在执行之前先要把 java 代码转换成字节码（class 文件）
2.jvm 首先需要把字节码通过一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中的运行时数据区（Runtime Data Area） ，而字节码文件是 jvm 的一套指令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器 执行引擎（Execution Engine） 将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（NativeInterface） 来实现整个程序的功能，这就是这 4 个主要组成部分的职责与功能。
而我们通常所说的 JVM 组成指的是 运行时数据区（Runtime Data Area） ，因为通常需要程序员调试分析的区域就是“运行时数据区”，或者更具体的来说就是“运行时数据区”里面的 Heap（堆）模块。

jvm整体框架

2.jvm-字节码文件class

jvm管理的是编译好的class字节码文件，我们先从字节码文件class了解开始

2.1 java和class无关性

我们通过javac把java文件编译成class文件，但class字节文件不一定全部来自java,java虚拟机jvm还能运用其他语言编程成class的字节文件。
Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号表以及若干其他辅助信息。各种不同平台的虚拟机与所有平台都统一使用的程序存储格式——字节码（ByteCode，Class文件语法）是构成平台无关性的基石，也是实现语言无关性的基石。

2.2 字节码应用场景

1.能回答如下算法问题：如

(1)int i=0;i=i++; i的值是多少
(2)int i=1; i +i +=++i +4.4+i; i的值为多少
(3）反射的原理和如何实现的？

2.解决版本冲突问题：

如上诉异常该如何解决

3.明明系统升级了，为什么bug还存在呢？（系统升级问题）

要解答如上问题，需要掌握相关的字节码文件知识。

2.4 字节码文件打开方式

字节码文件是编译好的二进制文件，用普通记事本打开的是乱码，无法阅读，需要借助专业的工具来
1.使用notepad++编辑器打开–点击插件–HEX-Editor(没有该插件的自行下载)–view in HEX，即可以16进制形式查看Clsaa文件。
当然也可以直接使用HEX-Editor软件打开：hex-editor。
打开如下所示

2.字节码分析插件
直接查看代码，不好做直观分析，我们一般采用jclasslib分析工具，提供单独安装版本和idea插件
我们可以使用idea插件，再插件库里查询并安装

安装好后，我们选中编译好的class文件，在idea窗口view->show Bytecode With Jclasslib

打开界面如下：

2.3 字节码文件组成

字节码文件由以下五部分组成

这里比较重要的分析数据：一般信息、常量池、方法 3部分

2.3.1 一般信息

包含：魔数、字节码文件对应的java版本号、访问表示标识(public final)父类和接口

（1）组成部分：魔术-magic

魔术在 Jclasslib分析面板看不到，我们用notepad++打开文件

二进制文件并不是通过后缀名如.jpg,.avi,.class来确定文件类型，因为文件后缀名可以任意修改的，一般采用开头的自己字节来表示文件类型，执行二进制文件的软件检查头几个字节是否是规定的常量，如果不是，则会报错。

常见二进制文件字节

可以看出，class字节文件的头4个字节数是cafebabe,我们打开所有class文件的开头的二进制代码都是这个。
这就是魔术-megic的作用。

尝试：
把.png文件后缀改成.avi，用视频浏播放器播放，看是否会提示出错。

(2)版本号

注意：当前流行是用maven来编译，这里编译是配置在maven里的编译版本，而不是idea里面的版本，那个是运行版本。

maven在setting.xml文件里面的编译配置

  <profiles>
  	   <!--
  	 <profile>
            <id>jdk18</id>
            <activation>
                <jdk>1.8</jdk>
                <activeByDefault>true</activeByDefault>
            </activation>
            <properties>
                <maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
                <maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
                <maven.compiler.compilerVersion>1.8</maven.compiler.compilerVersion>
            </properties>
     </profile>
     
     -->
     
     <profile>   
        <id>jdk17</id>
        <activation>   
            <activeByDefault>true</activeByDefault>
            <jdk>17</jdk>   
        </activation>
        <properties>   
            <maven.compiler.source>17</maven.compiler.source>
            <maven.compiler.target>17</maven.compiler.target>
            <maven.compiler.compilerVersion>17</maven.compiler.compilerVersion>
            <encoding>UTF-8</encoding>
        </properties>   
    </profile>

版本号表示编程class使用的jdk版本，这里有个算法： 显示的版本号-44=jdk的版本号
这里52-44=18，对应的版本号就是1.8。（jdk1.2==46,后面每增加一个小版本，版本号就+1）
如果编译的版本和运行的版本不一致，尤其是高版本编译，低版本的运行环境，就会报错

我们在实际开发中，有两种常见场景：

1.我们开发时用的是高版本jdk,但服务器上用的是低版本，则会报错
2.我们引用第三方中间件jar编译的是高版本，但我们开发环境用的是低版本，也会报错：
例如以下：

查看jar包里的RandomStringUtils.class文件，其版本号为52,即编译版本是1.8，但我们开发环境是jdk1.6(对应50)，运行程序时就会报上面错误。

解决方案：
1.升级运行环境的jre版本号，如上升级成1.8
2.第三方降低版本号，降级为1.6
一般选中第二种方案，因为第一种方案需要整体升级，有些不可控风险

3.常量计数池

编译后的常量池里的常量个数，注意不是类里面的常量个数

4.本类索引、父类索引

描述类索引对应的常量

5 访问标志

就是对应的类的修饰符，如示例是public

5.接口计数

此类实现了的接口数

6.字段计数

字节码对应类的字段数

7.方法计数

字节码对应类的方法数，注意：每个编译好后的类

注意如果没有默认构造函数，都要自动创建一个无参的构造函数

8.属性计数

这里属性不是类的字段，而是编译码文件里类的信息，如果有内部类等，则计数会加1

2.3.2 常量池

2.3.3 方法

2.3.4 字段

2.3.5 属性

2.3.6 接口

3.类生命周期

4.类加载

5.JVM运行时数据区

6.本地方法接口

7.执行引擎

JVM实战业务场景

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GC优化

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