《深入java虚拟机》学习笔记（第五章 java虚拟机）

第五章 JAVA虚拟机

1.1.1 初始线程
Java程序中初始的main()方法，作为该程序初始线程的起点。任何其它的线程，都是有这个初始线程启动的。
在JAVA虚拟机内部，有两种类型的线程：守护线程和非守护线程（实时线程）。比如执行垃圾收集任务的线程，就是一种守护线程。我们也可以把我们自己创建的线程标记为守护线程。初始线程，不是守护线程。
当虚拟机中所有的实时线程都结束的时候，虚拟机将自动退出（当然，也可以调用Runtime或System类中exit()方法来退出虚拟机）
如果main()方法执行完毕返回，而且在其中并没有启动其它的实时线程，那么唯一的一个实时线程（即初始线程）结束，这样，虚拟机就自动退出了。
1.2 Java虚拟机的体系结构



Java虚拟机运行一个程序，需要内存来存储许多东西，例如：字节码、从已转载的class文件中得到的其它信息、程序创建的对象、传递给方法的参数、返回值、局部变量以及运算的中间结果等等。Java虚拟机把这些数据都放到运行时数据区中。
某些运行时数据区是由程序中所有线程共享的，还有一些则只能由一个线程拥有，每个Java虚拟机实例都有一个方法区以及一个堆，它们是由改虚拟机实例中所有线程共享的。当虚拟机装载一个class文件时，它会从这个Class文件包含的二进制数据中解析类型信息。然后它把这些类型信息放到方法区中，当程序运行时，虚拟机会把所有该程序正在运行时创建的对象都放到堆中。



当每一个新线程被创建时，它都会拥有自己的PC寄存器(pc register)（程序计数器，PC是program counter的缩写）以及一个JAVA栈。如果线程正在执行的是一个JAVA方法（非本地方法），PC寄存器中的值将总是指示下一条被执行的指令，而它的JAVA栈中存储的就是这个方法调用的状态：包括局部变量、方法被调用时传进来的参数、运算的中间结果以及返回值。而本地方法(native方法，与JNI有关)调用的状态，则存储与本地方法栈或别的地方（这与具体实现有关）。
Java栈由栈帧组成，每个栈帧包含一个JAVA方法调用的状态。当线程调用一个JAVA方法时，虚拟机压入新的栈帧到该线程的栈中，当该方法返回时，此栈帧被弹出并被抛弃。



上图描述了三个线程正在执行，线程1和2在执行JAVA方法，而线程3正在执行本地方法。
1.2.1 数据类型
数据类型分两种：基本类型和引用类型，基本类型的变量持有原始值，而引用类型的变量持有引用值，所谓引用，即对某个对象的引用。原始值，则是真正的原始数据。



虽然java虚拟机把boolean看作基本类型但是当编译器把java源码编译为字节码时，它会用int或byte来表示boolean，在java虚拟机中，false是由整数0来表示，所有非0整数都是表示true，涉及boolean值得操作则会使用int。
特别注意returnAddress，这种类型只在虚拟机内部使用，JAVA程序员不能使用这个类型，这个类型主要用来实现finally子句。
Java虚拟机的引用类型有三种：类类型，接口类型以及数组类型
类类型是对类的某个实例的引用；数组类型是对数组对象（数组是一个对象）的引用；接口类型则是对实现了该接口的某个实例的引用；还有一种特殊的引用值是null，表示该引用变量没有引用任何对象。
1.2.2 字长
字，用来容纳数据类型的值，它可能是32位或64位，我们无需关心，也无法通过程序来获知某个JAVA虚拟机的字长是多少，它是JAVA虚拟机的内部实现。
1.2.3 类装载子系统
两种类装载器：启动类装载器和用户自定义的类装载器，启动类装载器由JAVA虚拟机实现，而用户自定义的类装载器需要继承ClassLoader类。对每一个被装载的类型，虚拟机都会创建一个java.lang.Class类型的实例来代表该类型，这个对象和ClassLoader对象，跟其它普通对象一样，也是存放在堆中的，而装载的类型信息，当然位于方法区中。
l 装载、连接和初始化
装载 –查找并装载类型的二进制数据
连接 –执行验证、准备和解析（可选）
验证 –保证类型的正确性
准备 –为类变量分配内存，并将其初始化为默认值
解析 –把类型中的符号引用转换为直接引用
初始化 –把类变量初始化为正确的初始值
l 用户自定义类装载器
继承的ClassLoader类中，四个方法非常重要：

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ProtectionDomain protectionDomain)

protected final Class<?> findSystemClass(String name)

protected final void resolveClass(Class<?> c)

两个被重载的defineClass（）方法都要接受一个名为data[]的字节数组作为输入参数，并且data[offset]到data[offset +length]之间的二进制数据必须符合java class文件格式（表示一个新的可用类型）而name参数是一个字符串，指出该类型的全限定名，使用第一个是，该类型将被赋予默认的保护域，使用第二个时，保护域将由ProtectionDomain参数指定
defineClass方法需保证能够把类型导入到方法区中
findSystemClass方法是使用系统类装载器来装载指定的类型，name是一个全限定类名
resolveClass则对指定的类型执行连接动作
1.2.4 方法区
类装载器装载一个类之后，把其中的类型信息存储到方法区中，类变量（即静态变量）也是存储到方法区中的。
由于所有线程共享方法区，所以对方法区中的数据的访问，必须是线程安全的，比如假如两个线程同时访问一个名为Hello的类，而这个类还没有被加载到方法区，那么只有一个线程可以去加载这个类，而另外一个线程必须等待。
方法区也可以被垃圾收集（假设某个类不再被引用）。
那么，虚拟机会在方法区中存储某个类的哪些类型信息呢？
包括如下基本类型信息：
l 全路径类名（或称全限定名）
l 这个类型的直接超类的全路径类名（除非它是java.lang.Object，因为Object没有超类）
l 这个类型是类还是接口
l 这个类型的访问修饰符（public、abstract或final或其它的修饰符）
l 任何直接超接口的全限定名的有序列表
在java源代码中，全限定名由类所属的包的名称加一个“.”，再加上类名组成如java.lang.Object但在class文件中所有的“.”都被“/”代替变为java/lang/Object
除了基本类型信息，还存储如下信息：
l 该类型的常量池
n 常量池，就是该类型所用常量的一个有序集合。包括直接常量和对其它类型、字段、方法的符号引用。
l 字段信息
n 字段名
n 字段类型
n 字段的修饰符（public、private、protected、static、final、volatile、transient的某个子集）
l 方法信息
n 方法名
n 方法的返回类型（或void）
n 方法的修饰符（public、private、protected、static、final、synchronized、native、abstract的某个子集）
u 如果这个方法不是abstract或native，那么还必须保存下列信息：
u 方法的字节码（bytecodes）
u 操作数栈和该方法的栈帧中局部变量区的大小
u 异常表
l 除了常量以外的所有类变量（静态变量）
n 虚拟机在使用某个类之前，必须在方法区中为这些类变量分配空间
n 而编译时常量（即用final声明的类变量），处理方式不同。虚拟机会将这些final声明的常量复制到使用它的常量池或字节码流中。

l 一个到类ClassLoader的引用
n 主要是因为虚拟机需要跟踪这个类究竟是由哪些类装载器装载的,如果是用户自定义类装载器装载的，那么虚拟机必须在类型信息中存储对该装载器的引用。
n 虚拟机会在动态连接期间使用这个信息（比如一个类引用了另外一个类，那么虚拟机必须使用此类的类装载器来装载另外那个类）
l 一个到类Class的引用
n 对于每一个被装载的类型（不管是Class还是interface），虚拟机都会给它创建一个java.lang.Class类的实例（为了创建这个实例，所以它必须拥有一个到java.lang.Class的引用）。而且，虚拟机还会把这个实例和方法区中的类型信息关联起来。
n 你可以调用Class类中的forName(String className)静态方法，来获得任何类的Class实例的引用如forName("java.util.Enumeration")则得到Enumeration对象的Class引用。如果虚拟机无法装载指定的类型，将抛出ClassNotFoundException异常另一个得到Class对象的引用方法是调用任何对象引用的getClass()方法。
n 更多如何获取一个类的Class实例的方法，在后面介绍
n Class中某些关键方法的说明：
u getSuperClass –返回直接超类的Class实例，如果是java.lang.Object或接口，这个方法将返回null
u isInterface（） –判断一个类型是否是接口
u Class[] getInterfaces() –返回该类型实现的直接超接口（非间接实现），如果没有，则返回长度为0的数组。
u getClassLoader() –这个方法返回该类型的ClassLoader对象的引用，如果这个类型是由启动类装载器装载的，则这个方法返回null
u 以上所有这些信息，都直接从方法区中获得

方法表
这是为了尽可能提高访问效率而设计。虚拟机为每个非抽象类，都生成一个方法表，方法表是一个数组，它的元素是这个类型的所有实例方法（包括继承下来的所有实例方法）的直接引用。
1.2.5 堆
堆存放类的实例。那么一个类的实例具体包括哪些信息呢？
基本信息：
l 所有实例变量（包括从父类中继承下来的实例变量）
l 指向方法区的指针
l 对象锁 –用来实现多个线程对共享数据的互斥访问
l 等待集合（wait set）的数据
n 每个类都从Object继承了三个等待方法(三个重载的wait方法)和两个通知方法（notify和notifyAll）
n 当某个线程在一个对象上调用等待方法时，虚拟机就阻塞这个线程，并把它放到了对象的等待集合中，直到另外一个线程在同一个对象上调用通知方法
l 与垃圾收集器有关的数据（比如标志一个对象是否仍然被引用等）
数组的内部表示：
数组也是一个对象，数组也有一个与它们的类相关联的Class的实例，所有具有相同维度和类型的数组都是同一个类的实例，而不管数组的长度。每一维用“[”表示，类型用字符或字符串表示，如int一维数组，类的名称为：[I，三维byte数组表示为“[[[B”，一维java.lang.Object数组表示为“[Ljava/lang/Object”。多维数组表示为数组的数组。比如int二维数组，表示为一个一维数组，其中的每个元素是指向一个一维数组的引用：



1.2.6 程序计数器
每个线程一个程序计数器，里面存放的就是下一条要执行的指令的地址或returnAddress
1.2.7 Java栈
每个线程一个栈，每个方法调用一个栈帧。
方法可以有两种方式返回：
一种是通过return或执行完，正常返回
一种是抛出异常终止
不管哪种方法返回，虚拟机都会弹出栈帧。
1.2.8 栈帧
包括：局部变量区、操作数栈、帧数据区
l 局部变量区存放局部变量和方法参数

public class Example {

public static int someClassMethod(int i,long l,

float f,double d,Object o,byte b){

return 0;

}

public int someInstanceMethod(char c,double d,

short s,boolean b){

return 0;

}

}

上述方法在执行时对应栈帧的信息如下：



观察runInstanceMethod()方法的栈帧，其中有一个引用类型，它就是隐含的this，指向这个方法所属的对象，而runClassMethod()方法中则没有这个引用。因为类方法只与类有关，与具体的实例无关，所以它不可能访问到this变量！
byte/short/char/boolean都转换成了int进行存储。
对象的传递是引用传递，即在局部变量区中永远不会有对象，而仅仅只是一个引用。
对于方法的参数，严格按照参数的先后顺序来存放
l 操作数栈
操作数，即指令所携带的数据，它也放在栈帧中（但不是通过索引来访问操作数，而是通过压栈出栈的方式来使用操作数）。虚拟机指令主要从操作数栈中获取操作数（也可以从字节码流或常量池中获取）。
如：
int i = 100;
int j = 98;
int k = i + j;
对应的指令序列：



指令序列对应的操作结果：



帧数据区，需存储数据以支持下面的操作
a) 常量池解析
i. 很多指令要用到常量池中的数据，在常量池中，一开始只是一些符号引用，当指令要用到这些数据的时候，必须对符号引用进行解析
b) 正常方法返回
i. 方法返回时，必须将返回值压入到调用方法的操作数栈中。
c) 异常派发机制
i. 为了处理异常，在帧数据区，需保存对一个异常表的引用。
1. 异常表的每一项，包括：
2. try内部的代码的起始和结束位置
3. catch异常类在常量池中的索引
4. catch内代码的起始位置
d) 帧数据区可能还会保存一些与调试有关的信息
如：





调用方法前，把1和88.88压入操作数栈，调用方法后，创建了一个新的栈帧，而且把1和88.88放到了新的栈帧的局部变量区，调用完成后，结果被放到了上一个方法的操作数栈中。

在调用方法addTowTypes之前，需要到常量池中查找这个方法的地址，如果是第一次调用，它还是一个符号引用，所以，需要把符号引用转换为直接引用！

1.2.9 本地方法栈

忽略

1.2.10 执行引擎

每个线程都会对应一个执行引擎。（后台的垃圾收集线程除外）

l 指令集

a) 操作码+操作数

b) 操作码是否需要操作数，操作码本身就已经决定了它是否需要操作数

c) 操作数可以紧跟操作码，或从常量池、局部变量区、操作数栈中获取