JVM0

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JVM基本常识

程序的执行方式

主要有三种：静态编译执行、动态编译执行和动态解释执行。

注意：此处所说的编译指的是编译成可让操作系统直接执行的机器码。

为什么使用JVM

字节码和机器码的区别

机器码是电脑CPU直接读取运行的机器指令，运行速度最快，但是非常晦涩难懂，也比较难编写，一般

从业人员接触不到。

字节码是一种中间状态（中间码）的二进制代码（文件）。需要直译器转译后才能成为机器码。

JVM的运行模式

JVM有两种运行模式：Server模式与Client模式。

两种模式的区别在于：

Client模式启动速度较快，Server模式启动较慢；

但是启动进入稳定期长期运行之后Server模式的程序运行速度比Client要快很多。

因为Server模式启动的JVM采用的是重量级的虚拟机，对程序采用了更多的优化；而Client模式

启动的JVM采用的是轻量级的虚拟机。所以Server启动慢，但稳定后速度比Client远远要快。

JVM架构理解

由于Java虚拟机规范并没有具体的约束规则去限制即使编译器应该如何实现，所以这部分功能完全是与

虚拟机具体实现相关的内容，如无特殊说明，我们提到的编译器、即时编译器都是指Hotspot虚拟机内

的即时编译器，虚拟机也是特指HotSpot虚拟机。

我们的JIT是属于动态编译方式的，动态编译（dynamic compilation）指的是“在运行时进行编

译”；与之相对的是事前编译（ahead-of-time compilation，简称AOT），也叫静态编译（static

compilation）。

JIT编译（just-in-time compilation）狭义来说是当某段代码即将第一次被执行时进行编译，因而

叫“即时编译”。JIT编译是动态编译的一种特例。JIT编译一词后来被泛化，时常与动态编译等价；但

要注意广义与狭义的JIT编译所指的区别。

热点代码

程序中的代码只有是热点代码时，才会编译为本地代码，那么什么是热点代码呢？

运行过程中会被即时编译器编译的“热点代码”有两类：

1. 被多次调用的方法。

2. 被多次执行的循环体。

两种情况，编译器都是以整个方法作为编译对象。 这种编译方法因为编译发生在方法执行过程之中，

因此形象的称之为栈上替换（On Stack Replacement，OSR），即方法栈帧还在栈上，方法就被替换

了。

热点检测方式

要知道方法或一段代码是不是热点代码，是不是需要触发即时编译，需要进行Hot Spot

Detection（热点探测）。

目前主要的热点探测方式有以下两种：

基于采样的热点探测

采用这种方法的虚拟机会周期性地检查各个线程的栈顶，如果发现某些方法经常出现在栈顶，那这

个方法就是“热点方法”。这种探测方法的好处是实现简单高效，还可以很容易地获取方法调用关

系（将调用堆栈展开即可），缺点是很难精确地确认一个方法的热度，容易因为受到线程阻塞或别

的外界因素的影响而扰乱热点探测。

基于计数器的热点探测

采用这种方法的虚拟机会为每个方法（甚至是代码块）建立计数器，统计方法的执行次数，如果执

行次数超过一定的阀值，就认为它是“热点方法”。这种统计方法实现复杂一些，需要为每个方法

建立并维护计数器，而且不能直接获取到方法的调用关系，但是它的统计结果相对更加精确严谨。

在HotSpot虚拟机中使用的是第二种——基于计数器的热点探测方法，因此它为每个方法准备了两个计

数器：方法调用计数器和回边计数器。在确定虚拟机运行参数的前提下，这两个计数器都有一个确定的

阈值，当计数器超过阈值溢出了，就会触发JIT编译。

如何编译为本地代码？

Server Compiler和Client Compiler两个编译器的编译过程是不一样的。

对Client Compiler来说，它是一个简单快速的编译器，主要关注点在于局部优化，而放弃许多耗时

较长的全局优化手段。

而Server Compiler则是专门面向服务器端的，并为服务端的性能配置特别调整过的编译器，是一个充

分优化过的高级编译器。

公共子表达式的消除

公共子表达式消除是一个普遍应用于各种编译器的经典优化技术，他的含义是：如果一个表达式E已经

计算过了，并且从先前的计算到现在E中所有变量的值都没有发生变化，那么E的这次出现就成为了公共

子表达式。对于这种表达式，没有必要花时间再对他进行计算，只需要直接用前面计算过的表达式结果

代替E就可以了。

方法内联

在使用JIT进行即时编译时，将方法调用直接使用方法体中的代码进行替换，这就是方法内联，减少了

方法调用过程中压栈与入栈的开销。同时为之后的一些优化手段提供条件。如果JVM监测到一些小方法

被频繁的执行，它会把方法的调用替换成方法体本身。

逃逸分析

逃逸分析(Escape Analysis)是目前Java虚拟机中比较前沿的优化技术。这是一种可以有效减少Java

程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。通过逃逸分析，Java Hotspot编译

器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围从而决定是否要将这个对象分配到堆上。

逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法所

引用，例如作为调用参数传递到其他地方中，称为方法逃逸。

对象的栈上内存分配

我们知道，在一般情况下，对象和数组元素的内存分配是在堆内存上进行的。但是随着JIT编译器的日

渐成熟，很多优化使这种分配策略并不绝对。JIT编译器就可以在编译期间根据逃逸分析的结果，来决

定是否可以将对象的内存分配从堆转化为栈。

标量替换

标量（Scalar）是指一个无法再分解成更小的数据的数据 。

同步锁消除

同样基于逃逸分析，当加锁的变量不会发生逃逸，是线程私有的完全没有必要加锁。 在JIT编译时期就

可以将同步锁去掉，以减少加锁与解锁造成的资源开销。

魔数

所有的由Java编译器编译而成的class文件的前4个字节都是“0xCAFEBABE”。

魔数

所有的由Java编译器编译而成的class文件的前4个字节都是“0xCAFEBABE”。

常量池计数器

常量池是class文件中非常重要的结构，它描述着整个class文件的字面量信息。常量池是由一组

constant_pool结构体数组组成的，而数组的大小则由常量池计数器指定。常量池计数器

constant_pool_count 的值 =constant_pool表中的成员数+ 1。constant_pool表的索引值只有在

大于 0 且小于constant_pool_count时才会被认为是有效的。

class常量池理解

JVM虚拟机规定了不同的tag值和不同类型的字面量对应关系如下：

总结：

1. 对于某个类或接口而言，其自身、父类和继承或实现的接口的信息会被直接组装成

CONSTANT_Class_info常量池项放置到常量池中；

2. 类中或接口中使用到了其他的类，只有在类中实际使用到了该类时，该类的信息才会在常量池中有

对应的CONSTANT_Class_info常量池项；

3. 类中或接口中仅仅定义某种类型的变量，JDK只会将变量的类型描述信息以UTF-8字符串组成

CONSTANT_Utf8_info常量池项放置到常量池中，上面在类中的private Date date;JDK编译器

只会将表示date的数据类型的“Ljava/util/Date”字符串放置到常量池中。

1. final类型的8种基本类型的值会进入常量池。

2. 非final类型（包括static的）的8种基本类型的值，只有double、float、long的值会进入常量

池。

3. 常量池中包含的字符串类型字面量（双引号引起来的字符串值）。

class文件中的引用和特殊字符串

符号引用

符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能够无歧义的定

位到目标即可。

例如，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、

CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。

private int int_num = 110;private char char_num = 'a';private short short_num = 120;private float float_num = 130.0f;private double double_num = 140.0;private byte byte_num = 111;private long long_num = 3333L;private long long_delay_num;private boolean boolean_flage = true;public void init() {this.long_delay_num = 5555L;}}

15符号引用与虚拟机的内存布局无关，引用的目标并不一定加载到内存中。

在Java中，一个java类将会编译成一个class文件。在编译时，java类并不知道所引用的类的实际地

址，因此只能使用符号引用来代替。

比如 org.simple.People类 引用了 org.simple.Language类 ，在编译时People类并不知道Language

类的实际内存地址，因此只能使用符号 org.simple.Language （假设是这个，当然实际中是由类似于

CONSTANT_Class_info的常量来表示的）来表示Language类的地址。

各种虚拟机实现的内存布局可能有所不同，但是它们能接受的符号引用都是一致的，因为符号引用的字

面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。

直接引用可以是：

1. 直接指向目标的指针（比如，指向“类型”【Class对象】、类变量、类方法的直接引用可能是指

向方法区的指针）

2. 相对偏移量（比如，指向实例变量、实例方法的直接引用都是偏移量）

3. 一个能间接定位到目标的句柄

直接引用是和虚拟机的布局相关的，同一个符号引用在不同的虚拟机实例上翻译出来的直接引

用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经被加载入内存中了。

引用替换的时机

符号引用替换为直接引用的操作发生在类加载过程(加载 -> 连接(验证、准备、解析) -> 初始化)中

的解析阶段，会将符号引用转换(替换)为对应的直接引用，放入运行时常量池中。

特殊字符串字面量

特殊字符串包括三种： 类的全限定名， 字段和方法的描述符， 特殊方法的方法名。

总结

1. 方法和字段的描述符中， 不包括字段名和方法名， 字段描述符中只包括字段类型， 方法描述

符中只包括参数列表和返回值类型。

2. 无论method()是静态方法还是实例方法，它的方法描述符都是相同的。尽管实例方法除了传递

自身定义的参数，还需要额外传递参数this，但是这一点不是由方法描述符来表达的。参数this

的传递，是由Java虚拟机实现在调用实例方法所使用的指令中实现的隐式传递。

通过javap命令分析java指令

1、通过javap命令可以查看一个java类反汇编、常量池、变量表、指令代码行号表等等信息。

2、平常，我们比较关注的是java类中每个方法的反汇编中的指令操作过程，这些指令都是顺序执行

的

3、通过对前面两个例子代码反汇编中各个指令操作的分析，可以发现，一个方法的执行通常会涉及下

面几块内存的操作：

（1）java栈：局部变量表、操作数栈。这些操作基本上都值操作。

（2）java堆：通过对象的地址引用去操作。

（3）常量池。

（4）其他如帧数据区、方法区（jdk1.8之前，常量池也在方法区）等部分，测试中没有显示出来，这

里说明一下。

在做值相关操作时：

一个指令，可以从局部变量表、常量池、堆中对象、方法调用、系统调用中等取得数据，这些数据（可

能是指，可能是对象的引用）被压入操作数栈。

一个指令，也可以从操作数数栈中取出一到多个值（pop多次），完成赋值、加减乘除、方法传参、系

统调用等等操作。

自定义类加载器的作用：

双亲委派模型

out.close();}return null;}}package jvm.classloader;import java.lang.reflect.Method;public class TestMyClassLoader {public static void main(String []args) throws Exception{//自定义类加载器的加载路径MyClassLoader myClassLoader=new MyClassLoader("D:\\lib");//包名+类名Class c=myClassLoader.loadClass("jvm.classloader.Test");if(c!=null){Object obj=c.newInstance();Method method=c.getMethod("say"， null);method.invoke(obj， null);System.out.println(c.getClassLoader().toString());}}}

JVM自带的三个加载器只能加载指定路径下的类字节码。

如果某个情况下，我们需要加载应用程序之外的类文件呢？比如本地D盘下的，或者去加载网络上的某个

类文件，这种情况就可以使用自定义加载器了

JVM通过双亲委派模型进行类的加载，当然我们也可以通过继承java.lang.ClassLoader实现自定义的

类加载器。

当一个类加载器收到类加载任务，会先交给其父类加载器去完成，因此最终加载任务都会传递到顶

层的启动类加载器，

只有当父类加载器无法完成加载任务时，才会尝试执行加载任务。

采用双亲委派的一个好处是：

比如加载位于rt.jar包中的类java.lang.Object，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委

托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个

Object对象。

为什么要使用双亲委托这种模型呢？

因为这样可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。

考虑到安全因素，我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的String来

动态替代java核心api中定义的类型，这样会存在非常大的安全隐患，而双亲委托的方式，就可以避免

这种情况，因为String已经在启动时就被引导类加载器（Bootstrcp ClassLoader）加载，所以用

户自定义的ClassLoader永远也无法加载一个自己写的String，除非你改变JDK中ClassLoader搜索

类的默认算法。

但是JVM在搜索类的时候，又是如何判定两个class是相同的呢？

JVM在判定两个class是否相同时，不仅要判断两个类名是否相同，而且要判断是否由同一个类加载器

实例加载的。

只有两者同时满足的情况下，JVM才认为这两个class是相同的。就算两个class是同一份class字节

码，如果被两个不同的ClassLoader实例所加载，JVM也会认为它们是两个不同class。

既然JVM已经提供了默认的类加载器，为什么还要定义自已的类加载器呢？

因为Java中提供的默认ClassLoader，只加载指定目录下的jar和class，如果我们想加载其它位置的

类或jar时。

比如：我要加载网络上的一个class文件，通过动态加载到内存之后，要调用这个类中的方法实现我的

业务逻辑。在这样的情况下，默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了，所以需要定义自己的

ClassLoader

四、认识运行时数据区

运行时数据区概述

JVM运行时数据区规范

jdk1.7之前，HotSpot虚拟机对于方法区的实现称之为“永久代”， Permanent Generation 。

jdk1.8之后，HotSpot虚拟机对于方法区的实现称之为“元空间”， Meta Space 。

方法区是Java虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代和元空间是 HotSpot 虚拟机不同版本的

两种实现。

Hotspot运行时数据区

方法区

方法区存储内容

存储已经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等。

存储示意图如下，下面的图片显示的是JVM加载类的时候，方法区存储的信息：

1、类型信息

类型的全限定名

超类的全限定名

直接超接口的全限定名

类型标志（该类是类类型还是接口类型）

类的访问描述符（public、private、default、abstract、final、static）

2、类型的常量池

存放该类型所用到的常量的有序集合，包括直接常量（如字符串、整数、浮点数的常量）和对其他类

型、字段、方法的符号引用。常量池中每一个保存的常量都有一个索引，就像数组中的字段一样。因为

常量池中保存着所有类型使用到的类型、字段、方法的字符引用，所以它也是动态连接的主要对象（在

动态链接中起到核心作用）。

字段修饰符（public、protect、private、default）

字段的类型

字段名称

4、方法信息

方法信息中包含类的所有方法，每个方法包含以下信息：

方法修饰符

方法返回类型

方法名

方法参数个数、类型、顺序等

方法字节码

操作数栈和该方法在栈帧中的局部变量区大小

异常表

5、类变量（静态变量）

-XX:MinMetaspaceFreeRatio

在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集

-XX:MaxMetaspaceFreeRatio

在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集

1

2

3

4

-Xss：

为jvm启动的每个线程分配的内存大小，默认JDK1.4中是256K，JDK1.5+中是1M

1

2指该类所有对象共享的变量，即使没有任何实例对象时，也可以访问的类变量。它们与类进行绑定。

6、指向类加载器的引用

每一个被JVM加载的类型，都保存这个类加载器的引用，类加载器动态链接时会用到。

7、指向Class实例的引用

类加载的过程中，虚拟机会创建该类型的Class实例，方法区中必须保存对该对象的引用。通过

Class.forName(String className)来查找获得该实例的引用，然后创建该类的对象。

8、方法表

为了提高访问效率，JVM可能会对每个装载的非抽象类，都创建一个数组，数组的每个元素是实例可能

调用的方法的直接引用，包括父类中继承过来的方法。这个表在抽象类或者接口中是没有的。

9、运行时常量池(Runtime Constant Pool)

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，用于存放编

译器生成的各种字面常量和符号引用，这部分内容被类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个特征具有动态性，可以在运行期间将新的常量放入池

中（典型的如String类的intern()方法）。

运行时常量池和字符串常量池

存储内容

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，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。

字面量：

双引号引起来的字符串值，“kkb”

定义为final类型的常量的值。

符号引用：

类或接口的全限定名（包括他的父类和所实现的接口）

变量或方法的名称

变量或方法的描述信息

方法的描述：参数个数、参数类型、方法返回类型等等

变量的描述信息：变量的返回值

this

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定

只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运

行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方

法。

常量池区别

class常量池（静态常量池）、运行时常量池、字符串常量池区别：

class常量池中存储的是符号引用，而运行时常量池存储的是被解析之后的直接引用。

class常量池存在于class文件中，运行时常量池和字符串常量池是存在于JVM内存中。

运行时常量池具有动态性，java运行期间也可能将新的常量放入池中(String#intern())，

字符串常量池逻辑上属于运行时常量池的一部分，但是它和运行时常量池的区别在于，字符串常量

池是全局唯一的，而运行时常量池是每个类一个。

intern的作用

intern的作用是把new出来的字符串的引用添加到stringtable中，java会先计算string的

hashcode，查找stringtable中是否已经有string对应的引用了，如果有返回引用（地址），然后没

有把字符串的地址放到stringtable中，并返回字符串的引用（地址）。

我们继续看例子：

因为有双引号括起来的字符串，所以会把ldc命令，即"haha"会被我们添加到字符串常量池，它

的引用是string的char数组的地址，会被我们添加到stringtable中。所以a.intern的时候，

返回的其实是string中的char数组的地址，和a的string实例化地址肯定是不一样的。

String e = new String("jo") + new String("hn");System.out.println(e.intern() == e);//true

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