【读书笔记】深入理解Java虚拟机（周志明）（3）第三部分 虚拟机执行子系统（4）第四部分 程序编译与代码优化

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文章说明

本文是《深入理解Java虚拟机（周志明）》这本书的重点摘要。

本笔记仅作为复习，不过多的对内容进行讲解。

本笔记按照书的目录进行，如遇到需要细看的，可以到书中找对应内容。

本笔记并不是按照书中原话进行摘要，而是根据自己的理解使用大白话进行记录，同时进行了少部分扩展。如有错误欢迎指出。

由于内容较多，一共分为三篇：

篇幅链接
深入理解Java虚拟机（周志明）（1）第一部分 走进Java（2）第二部分 自动内存管理机制https://blog.csdn.net/zhaohongfei_358/article/details/134927759
深入理解Java虚拟机（周志明）（3）第三部分 虚拟机执行子系统（4）第四部分 程序编译与代码优化https://blog.csdn.net/zhaohongfei_358/article/details/135067398
深入理解Java虚拟机（周志明）（5）第五部分 高效并发https://blog.csdn.net/zhaohongfei_358/article/details/135111650

第三部分 虚拟机执行子系统

第6章 类文件结构

6.1 概述

无重点

6.2 无关性的基石

Java虚拟机只和字节码（也就是class文件）打交道。因此，JVM可以运行其他语言，例如：Groovy、Jython、Scala、Kotlin等。

它们都是先将各自的代码编译成class文件，然后交给JVM运行即可。

在这里插入图片描述

这也是JVM的语言无关性。

而字节码可以拿到任何平台运行，例如Windows、Mac、Linux等，只要该平台有JVM即可。这是Java语言的平台无关性，即“一次编译，处处运行”。

6.3 Class类文件的结构

无重点

第6章后续讲解了如何看懂字节码，这部分比较高级，且大多数人用不到，感兴趣可以自行阅读。

第7章 虚拟机类加载机制

7.1 概述

虚拟机把class文件记载到内存，并进行校验、解析、初始化等，最终形成可以被虚拟机直接使用的java类，这就是虚拟机的类加载机制。

class文件不一定非要是文件，从网络或其他地方加载的二进制流也可以。

7.2 类加载的时机

类的生命周期：

在这里插入图片描述

加载、连接的发生时机：各JVM实现自行决定

初始化的发生时机：当需要用到该类时（包括访问其属性和方法），主要场景：

  1. 首次new对象时
  2. 调用静态属性或方法时
  3. 对类进行反射时
  4. 该类作为main入口

7.3 类加载过程

类加载包括如下动作：

  • 加载：执行过程：① 读取类的二进制字节流；② 将静态存储结构（类的方法等）存到方法区；③ 生成该类对应的java.lang.Class对象。（注意：加载过程和后面的验证、准备等动作是交叉进行的，并不是整个做完加载才进行后续验证）
  • 验证：验证字节码是否符合JVM规范。包括：
    • ① 文件格式验证；
    • ② 元数据验证：是否符合Java规范，例如：是否继承了final类，继承接口的类是否还有未实现的方法等）；
    • ③ 字节码验证：验证语义的是否合法、是否符合逻辑。例如：类型转换是否有效、是否有危害虚拟机安全的事件等。
    • ④ 符合引用验证：验证符号引用的正确性。例如：是否访问了一个其他类的private方法。
  • 准备：为类的静态变量分配内存（存在方法区），并附上“0”的初始值。（真正的默认值赋值是在初始化阶段做的）。
  • 解析：将符号引用转为直接引用
  • 初始化：从上到下执行给static字段赋值和执行static静态代码块。

7.4 类加载器

类加载可以允许用户在运行时加载类。用户可以实现自己的类加载器。

7.4.1 类与类加载器

一个类可以被多个类加载器加载，每个类加载器有自己的独立的类名称空间。这也意味着两个类来源于同一个Class文件，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

7.4.2 双亲委派模型

Java提供了三种类加载器：

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：虚拟机用的，用于加载<JAVA_HOME>/lib下的类，用户无法直接使用。
  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：用户可以使用，用来加载<JAVA_HOME>/lib/ext中的类。
  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：用户可以使用，用来加载用户自己编写的类。

类加载器的双亲委派模型：下游的类加载应该将类加载动作尽可能的委派给父类，如果父类不能加载（搜索范围内找不到该类），那么子类再做加载工作。（这里上下游并不是继承关系，而是组合关系）。这么做的目的是：一个类尽可能被一个类加载器加载，否则就会出现上面提到的“同一个class文件存在两个不相等的类”的问题。

在这里插入图片描述

7.4.3 破坏双亲委派模型

双亲委派模型只是一个建议，并不强制。

有些情况确实无法遵守双亲委派模型。例如：

  • 基础类需要调用外部类：例如JDBC等。通常基础类（jre中的类）是由BootstrapClassLoader加载的，然而，对于JDBC这个基础类，它需要调用JDBC实现类，而实现类又是由ApplicationClassLoader加载的。因此为了让JDBC基础类可以调用实现类，就不得不让JDBC基础类使用ApplicationClassLoader来加载。这就违反了上面说的双亲委派模型。
  • 热部署：例如OSGi实现的热部署中，就没有按照双亲委派模型做。（具体细节请参考原文）

第8章 虚拟机字节码执行引擎

8.1 概述

无重点

8.2 运行时栈帧结构

程序运行时，每当进入一个新方法，就会在“栈”中创建一个“栈帧（Stack Frame）”，并放置在栈的最顶层。也就说，栈中最顶层的栈帧存储就是当前运行的方法的数据。

在这里插入图片描述

一个栈帧存储了如下数据：

  • 局部变量表(Local Variable Table)：用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。注意：每个方法需要使用多大的局部变量表在编译时就会确定下来。
  • 操作数栈(Operand Stack)：当方法内部进行+-x÷时，用于存放操作数的。例如：执行1+2的步骤就是，先1,2,3分别入栈，执行+操作，从栈顶取出1,2进行相加操作。（感兴趣可以百度“计算器栈实现”）
  • 动态连接(Dynamic Linking)：将方法中的符号引用转为直接引用。即记录了该方法中调用的其他方法的实际地址。例如：当前的A方法中调用了B方法和C方法，那么A方法的动态链接就会存储B方法和C方法所在的实际地址是多少。
  • 返回地址(Return Address)：存放了“当方法退出后，下一条指令的执行地址”。① 若方法正常return的退出，则执行下一条指令。② 若方法抛出异常的退出，则由异常表决定下一条指令执行什么。

8.3 方法调用

在Java中，由于部分方法（重写或重载的方法）具体调用哪个方法是在运行时决定的。因此，方法调用是指：确定应该调用哪个方法。

8.3.1 解析

部分方法调用在编译期就可以唯一确定，这类方法的调用称为解析（Resolution）。

符合“编译期可知，运行期不变”要求的方法，主要包括静态方法和私有方法两大类。

8.3.2 分派

对于多态方法（重载和重写），虚拟机确定其调用有两种方式：静态分派和动态分派。

静态分派：对于静态方法的重载多态，会在编译期给调用的参数确定一个静态类型，以确定一个确定的方法。

样例：

public class Test {

    static abstract class Human {}

    static class Man extends Human {}

    static class Woman extends Human {}

    public static void sayHello(Human human) {
        System.out.println("Hello, human");
    }

    public static void sayHello(Man man) {
        System.out.println("Hello, man");
    }

    public static void sayHello(Woman woman) {
        System.out.println("Hello, woman");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        sayHello(man);
        sayHello(woman);
    }
}

输出：

Hello, human
Hello, human

上述代码中的Human称为静态类型(Static Type)（也称为外观类型(Apparent Type)），Man则称为实际类型(Actual Type)。

在编译期，静态类型已经可以确定，因此代码编译时该方法的调用也选择sayHello(Human human)进行调用，而不理会它的实际类型。

也就是说，对于静态分派，要调用哪个方法在编译期就已经确定下来了。

动态分派：如果是非静态方法的重写，那就需要在运行期动态确定应该调用哪个方法。

样例：

public class Test2 {

    static abstract class Human {
        void sayHello() {
            System.out.println("Hello, human");
        }
    }

    static class Man extends Human {
        @Override
        void sayHello() {
            System.out.println("Hello, man");
        }
    }

    static class Woman extends Human {
        @Override
        void sayHello() {
            System.out.println("Hello, woman");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        man.sayHello();
        woman.sayHello();
    }
}

输出：

Hello, man
Hello, woman

由于调用的是非静态方法，因此会在运行期来确定这两个对象实际是什么类型，然后调用其对应的方法。

8.3.3 动态类型语言支持

动态语言：在运行期对类型进行检查，例如：Javascript，python等。例如，js一个变量可以是任何类型 var a = new Object(); a=3;，但Java就不行。优点：动态语言灵活性高，开发效率高；缺点：错误不容易在编译期发现，导致代码稳定性差，扩展性也差。

静态语言：在编译期对类型进行检查，例如：Java，C++等。例如：java中Object a = new Object(); a=3 就是非法的。优点：代码稳定性好，很多错误在编译期就可以被发现。缺点：代码不够灵活和简洁。

Java1.7之后，在虚拟机层面对动态语言类型进行了支持，可以使用java.lang.invoke包来实现。

8.4 基于栈的字节码解释执行引擎

无重点（较高级）。

第9章 类加载及执行子系统的案例与实战

9.1 概述

虽然类加载大部分过程用户无法通过Java控制（都是由JVM自行完成的），但字节码生成和类加载器用户可以操作，利用这两点就可以玩出很多花样。

9.2 案例分析

9.2.1 Tomcat：正统的类加载器结构

多个应用程序会部署在一个Tomcat的服务器上（不过现在都用Springboot了，都是一个程序一个tomcat）。

如果Tomcat只使用一个类加载器可能会引发：两个程序相同路径且相同名称类只加载了一份，但两个类代码又不一样出现问题。

如果Tomcat为每一个应用程序使用完全独立的类加载又会引发：两个程序都使用了Spring3.0，如果将Spring的类加载两份，又太浪费内存资源。

因此，Tomcat采用的方案如下（非常符合上面提到的“双亲委派模型”）：

在这里插入图片描述

灰色部分为Java提供的类加载器，白色部分为Tomcat自己实现的类加载器。

即：对于公共类（例如：Spring等框架的类），都使用公共的CommonClassLoader。而对应用程序自己的类，都使用各自独立的WebAppClassLoader，这样就完美解决了上面两个问题。

9.2.2 OSGi：灵活的类加载器结构

OSGi中，没有使用双亲委派模型的“树状结构”，而是采用了更复杂的“网状结构”。

其将代码分成了各个模块（Bundle），每个Bundle有自己的类加载器，Bundle之间会互相依赖。

例如：

在这里插入图片描述

例如，该例子中，BundleB模块就依赖BundleA和BundleC中的代码。

9.2.3 字节码生成技术与动态代理的实现

在Spring中有大量的代理类，其可以在原类发放的执行前后增加一些逻辑。

使用Java生成代理类的简单样例：

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class DynamicProxyTest {

    interface IHello {
        void sayHello();
    }

    static class Hello implements IHello {

        @Override
        public void sayHello() {
            System.out.println("hello world");
        }
    }

    // 定义动态代理类
    static class DynamicProxy implements InvocationHandler {

        Object originalObj; // 原对象

        Object bind(Object originalObj) {
            this.originalObj = originalObj;
            // 返回代理类
            return Proxy.newProxyInstance(originalObj.getClass().getClassLoader(),
                    originalObj.getClass().getInterfaces(),
                    this); 
        }

        // 使用代理类时，执行的其实是这个方法
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
            System.out.print("welcome! "); // 在原来的方法前面增加逻辑
            return method.invoke(originalObj, args);  // 执行原始方法
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        IHello hello = (IHello) new DynamicProxy().bind(new Hello());  // 给Hello绑定代理类
        hello.sayHello();
    }

}

输出：

welcome! hello world
9.2.4 Retrotranslator：跨越JDK版本

Java逆向移植（Java Backporting Tools）：将高版本JDK编写的代码放到低版本的JDK环境下部署。

Retrotranslator技术就是Java逆向移植工具中较为出色的一个。

9.3 实战：自己动手实现远程执行功能

无重点，感兴趣可以自己看原文。

第四部分 程序编译与代码优化

第10章 早期（编译期）优化

10.1 概述

编译期优化就是在编译期做的优化操作，例如很多Java新特性都是靠编译期优化实现的，其底层的JVM并没有做任何改变。

10.2 Javac编译器

Javac编译器是用Java实现的。

原文讲解了调试方法和编译过程。

10.3 Java语法糖的味道

10.3.1 泛型与类型擦除

Java中的泛型只存在编译前，用于对类型进行约束（同时也方便了程序员，不用老是强制类型转换了），使代码更加安全，避免运行时产生类型转换错误。

但是，在编译后泛型会被擦除。

例如：

编译前代码：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("hello");
String str = list.get(0);

编译后代码：

List list = new ArrayList();
list.add("hello");
String str = (String)list.get(0);

编译后泛型被擦除了。

因此，下面这段代码是无法编译：

public class GenericTypesTest {

    public static void method(List<String> list) {}  // 编译报错，报存在相同的方法

    public static void method(List<Integer> list) {}
}
10.3.2 自动装箱、拆箱与遍历循环

Java的每一个基本数据类型对应了一个包装类，例如：int对应Integer。

当给包装类进行赋值时可以使用基本类型，即编译器会自动将基本数据类型转为包装类，称为“自动装箱”。例如：Integer a = 1;

包装类对象可以像基本数据类型那样使用，例如四则运算。此时会自动将包装类型转为基本数据类型，称为“自动拆箱”。

包装类比较时，遵循如下规则：① 包装类==包装类，引用比较。② 包装类==基本数据类型，值比较。

例如：

Integer a = 1;
Integer b = 2;
Integer c = 3;
Integer d = 3;
Integer e = 321;
Integer f = 321;
Long g = 3L;
System.out.println(c == 3); // true 值比较
System.out.println(c == d); // true 引用比较（但由于小于255，因此都是一个引用）
System.out.println(e == f); // false 引用比较。不是同一对象
System.out.println(c == (a + b)); // true 值比价，因为a+b后被自动拆箱成了int
System.out.println(c.equals(a + b)); // true 值比较。
System.out.println(g == (a + b));  // true  值比较。(a+b)隐含个一个自动转long
System.out.println(g.equals(a + b)); // Long不能和int比较，因此为false
10.3.3 条件编译

编译器对if和循环做了优化。

例如：

int a = 0;
if (true) { a = 1; } 
else { a = 2; }

编译后：

int a = 1;

在例如：

while (false) {}  // 编译报错，报“语句不可达”。

10.4 实战：插入式注解处理器

无重点

该节实战内容：对Javac进行改造，增加了一个对驼峰式命名的校验，若不符合，则编译失败。

第11章 晚期（运行期）优化

11.1 概述

JVM运行代码通常都是依赖解释器。

但，JVM中还有一个即时编译器（Just In Time Compiler，JIT），简称为JIT编译器。

它的作用是：将“热点代码”（也就是运行频繁的代码）编译成本地机器码，并进行进一步优化。

本章就是讲这个的。

11.2 HotSpot虚拟机内的即时编译器

无重点

11.3 编译优化技术

11.3.1 优化技术概览

优化可能会对你的并发结果产生影响，因此了解怎么优化的还是有必要的。

对于下面这段代码的最后四行，会进行四步优化

static class B {
    int value;

    final int get() {
        return value;
    }
}

public void foo() {
    int y, z, sum;
    B b = new B();

    y = b.get();
    // ... do something...
    z = b.get();
    sum = y + z;
}

方法内联优化，优化后：

...
y = b.value;  // 这里被优化了
// ... do something...
z = b.value;  // 这里被优化了
sum = y + z;
...

公共子表达式消除(Common Subexpression Elimination) 优化：

y = b.value;
// ... do something...  // 假设这里没有对b.value进行修改
z = y;  // 这里被优化了
sum = y + z;

复写传播(Copy Propagation) 优化：

y = b.value;
// ... do something... 
y = y;  // 这里被优化了，消除了z
sum = y + y; // 这里被优化了

无用代码消除(Dead Code Elimination) 优化：

y = b.value;
// ... do something... 
// y = y;  // 这行被删除了
sum = y + y;
11.3.2 公共子表达式消除

公共子表达式消除：若一个计算表达式中出现了公共的表达式，则不会重复计算。

例如：

int d = (c*b) * 12 + a + (a + b*c)

会被优化成：

int E = b*c ; // 这里只是这样写便于理解，但实际并不会真的声明E
int d = E * 12 + a + (a + E)； // 即 对于公共表达式“b*c”不会被重复计算两次

// 甚至部分JVM还会进一步优化成：
int d = E * 13 + a * 2;
11.3.3 数组边界检查消除

Java在使用数据取值时，JVM会判断数组是否越界，若越界则报错。但如果每次都检查，那么性能就难免受影响。因此，如果编译时能够确定下来这段不会越界，那么就会不进行越界检查。

11.3.4 方法内联

方法内联：如果编译期可以根据上下文确定调用的方法，JVM有可能会直接把该方法的内容内联到调用的地方，即不真正的调用方法。

例如：

优化前：

public static void sayHello(String name) {
	System.out.println("Hello, " + name);
}

public static void test() {
	String name = "张三";
	sayHello(name);
	// ...
}

优化后：

```java
public static void sayHello(String name) {
	System.out.println("Hello, " + name);
}

public static void test() {
	String name = "张三";
	System.out.println("Hello, " + name); // 这里被优化了
	// ...
}
11.3.5 逃逸分析

逃逸分析：一种分析手段，为其他优化提供依据。主要就是用来分析一个变量或对象是不是只在某个作用域下有效，这样就可以逃脱掉一些处理，进而优化速度或内存。

主要场景：

  • 栈上分配(Stack Allocation)：正常来说，对象是在堆上分配的。但如果逃逸分析发现某个对象一定只是在该方法内使用，不会被其他方法访问，那么这个对象就可以在栈上分配，减缓GC压力。
  • 同步消除(Synchronization Elimination)：如果逃逸分析发现某个变量一定是在线程内使用，即不会带来并发问题，那么对该变量的同步锁等措施就可以消除掉。
  • 标量替换(Scalar Replacement)：如果逃逸分析发现一个对象不会外部访问，并且对象可以拆分成若干个变量，那么可能就不会创建该对象，而是直接创建成员变量。标量替换的主要用途就是上面的“栈上分配”。例如：
    public void method() {
	Person p = new Person();
	p.name = "Amy";
	System.out.println(p.name);
}
    此时，根据标量替换，就会被优化成：
    public void method() {
	String name = "Amy"; // 并没有创建Person对象
	System.out.println(name);
}

11.4 Java与C/C++的编译器对比

JVM的即时编译器和C/C++的静态编译器相比，有如下劣势：

  • 即时编译器由于是在运行时编译，因此会占用用户程序的运行时间。
  • Java是动态的类型安全语言。jvm需要不断的进行空指针、数组是否越界、类型转换是否安全等的检查。
  • 由于多态特性，具体调用哪个方法很多都是运行时决定的。这加大了编译器优化时结合上下文的难度。
  • Java中只有局部变量才是在栈上分，而对象都是在堆上分。而C++则可以自由选择，因此在垃圾收集效率上，C++有明显优势。