前言

        Java是目前用户最多、使用范围最广的软件开发技术之一。Java的技术体系主要由支撑Java程序运行的虚拟机、提供各开发领域接口支持的Java APl、,Java编程语言及许多第三方Java框架（如Spring、Struts等）构成。在国内，有关Java APl、Java语言语法及第三方框架的技术资料和书籍非常丰富，相比之下，有关Java虚拟机的资料却显得异常贫乏。

        这种状况在很大程度上是由Jva开发技术本身的一个重要优点导致的：在虚拟机层面隐藏了底层技术的复杂性以及机器与操作系统的差异性。运行程序的物理机器的情况千差万别，而Jva虚拟机则在千差万别的物理机上建立了统一的运行平台，实现了在任意一台虚拟机上编译的程序都能在任何一台虚拟机上正常运行。这一极大优势使得Jav应用的开发比传统C/C++应用的开发更高效和快捷，程序员可以把主要精力集中在具体业务逻辑上，而不是物理硬件的兼容性上。在一般情况下，一个程序员只要了解了必要的Java API、.Jva语法，以及学习适当的第三方开发框架，就已经基本能满足日常开发的需要了，虚拟机会在用户不知不觉中完成对硬件平台的兼容及对内存等资源的管理工作。因此，了解虚拟机的运作并不是一般开发人员必须掌握的知识。

        然而，凡事都具备两面性。随着Jva技术的不断发展，它被应用于越来越多的领域之中。其中一些领域，如电力、金融、通信等，对程序的性能、稳定性和可扩展性方面都有极高的要求。程序很可能在10个人同时使用时完全正常，但是在10000个人同时使用时就会缓慢、死锁，甚至崩溃。毫无疑问，要满足10000个人同时使用需要更高性能的物理硬件，但是在绝大多数情况下，提升硬件效能无法等比例地提升程序的运作性能和并发能力，甚至可能对程序运作状况完全没有任何改善。这里面有Jva虚拟机的原因：为了达到给所有硬件提供一致的虚拟平台的目的，牺性了一些与硬件相关的性能特性。更重要的是人为原因：如果开发人员不了解虚拟机一些技术特性的运行原理，就无法写出最适合虚拟机运行和自优化的代码。

        其实，目前商用的高性能Jva虚拟机都提供了相当多的优化特性和调节手段，用于满足应用程序在实际生产环境中对性能和稳定性的要求。如果只是为了入门学习，让程序在自己的机器上正常运行，那么这些特性可以说是可有可无的；如果用于生产开发，尤其是企业级生产开发，就迫切需要开发人员中至少有一部分人对虚拟机的特性及调节方法具有很清晰的认识，所以在Jva开发体系中，对架构师、系统调优师、高级程序员等角色的需求一直都非常大。学习虚拟机中各种自动运作特性的原理也成为了Jva程序员成长道路上必然会接触到的一课。

简介

        本文一共分为五个部分：走近Java、自动内存管理机制、虚拟机执行子系统、程序编译与代码优化、高效并发。

1.走近Java

        本文的第一部分为后文的讲解建立了良好的基础。尽管了解Java技术的来龙去脉，以及编译自己的OpenJDK : 对于读者理解Java虚拟机并不是必需的，但是这些准备过程可以为走近Java技术和Java虚拟机提供很好的引导。

第一部分只有第1章：
        第1章介绍了Java技术体系的过去、现在和未来的一些发展趋势，并介绍了如何独立地编译一个OpenJDK8。

2.自动内存管理机制

        因为程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，所以可以在编码的时候享受自动内存管理的诸多优势，不过也正是这个原因，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

第二部分包括第2~5章：

        第2章讲解了虚拟机中内存是如何划分的，以及哪部分区域、什么样的代码和操作可能导致内存溢出异常，并讲解了各个区域出现内存溢出异常的常见原因。

        第3章分析了垃圾收集的算法和JDK1.8中提供的几款垃圾收集器的特点及运作原理。通过代码实例验证了Jva虚拟机中自动内存分配及回收的主要规则。

        第4章介绍了随JDK发布的6个命令行工具与两个可视化的故障处理工具的使用方法。

        第5章与读者分享了几个比较有代表性的实际案例，还准备了一个所有开发人员都能"亲身实战”的练习，读者可通过实践来获得故障处理和调优的。

3.虚拟机执行子系统

        执行子系统是虚拟机中必不可少的组成部分，了解了虚拟机如何执行程序，才能写出更优秀的代码。

第三部分包括第6~9章：

        第6章讲解了Class文件结构中的各个组成部分，以及每个部分的定义、数据结构和使用方法，以实战的方式演示了Class文件的数据是如何存储和访问的。

        第7章介绍了类加载过程的"加载"、"验证”、“准备”、“解析"和“初始化"5个阶段中虚拟机分别执行了哪些动作，还介绍了类加载器的工作原理及其
对虚拟机的意义。

         第8章分析了虚拟机在执行代码时如何找到正确的方法，如何执行方法内的字节码，以及执行代码时涉及的内存结构。

        第9章通过4个类加载及执行子系统的案例，分享了使用类加载器和处理字节码的一些值得欣赏和借鉴的思路，并通过一个实战练习来加深对前面理论知识的理解。

4.程序编译与代码优化

        JV程序从源码编译成字节码和从字节码编译成本地机器码的这两个过程，合并起来其实就等同于一个传统编译器所执行的编译过程。

第四部分包括第10~11章：
        第10章分析了Jva语言中泛型、主动装箱和拆箱、条件编译等多种语法糖的前因后果，并通过实战演示了如何使用插入式注解处理器来实现一个检查程序命名规范的编译器插件。

        第11章讲解了虚拟机的热点探测方法、HotS印ot的即时编译器、编译触发条件，以及如何从虚拟机外部观察和分析JT编译的数据和结果，此外，还讲解了几种常见的编译优化技术。

5.高效并发

        Jva语言和虚拟机提供了原生的、完善的多线程支持，这使得它天生就适合开发多线程并发的应用程序。不过我们不能期望系统来完成所有并发相关的处理，了解并发的内幕也是成为一个高级程序员不可缺少的课程。

第五部分包括第12一13章：

        第12章讲解了虚拟机Java内存模型的结构及操作，以及原子性、可见性和有序性在Jva内存模型中的体现，介绍了先行发生原则的规则及使用，还了解了线程在Java语言中是如何实现的。

        第13章介绍了线程安全涉及的概念和分类、同步实现的方式及虚拟机的底层运作原理，并且介绍了虚拟机实现高效并发所采取的一系列锁优化措施。

第一部分 走近Java

        第一章 走近Java

1.概述

        Java不仅仅是一门编程语言，还是一个由一系列计算机软件和规范形成的技术体系，这个技术体系提供了完整的用于软件开发和跨平台部署的支持环境，并广泛应用于嵌入式系统、移动终端、企业服务器、大型机等各种场合。时至今日，Jva技术体系已经吸引了900多万软件开发者，这是全球最大的软件开发团队。使用Jva的设备多达几十亿台，其中包括11亿多台个人计算机、30亿部移动电话及其他手持设备、数量众多的智能卡，以及大量机顶盒、导航系统和其他设备。

        Jva能获得如此广泛的认可，除了它拥有一门结构严谨、面向对象的编程语言之外，还有许多不可忽视的优点：它摆脱了硬件平台的束缚，实现了“一次编写，到处运行"的理想；它提供了一个相对安全的内存管理和访问机制，避免了绝大部分的内存泄露和指针越界问题；它实现了热点代
码检测和运行时编译及优化，这使得Jva应用能随着运行时间的增加而获得更高的性能；它有一套完善的应用程序接口，还有无数来自商业机构和开源社区的第三方类库来帮助它实现各种各样的功能.Java所带来的这些好处使程序的开发效率得到了很大的提升。作为一名Java程序员，在编写程序时除了尽情发挥Java的各种优势外，还应该去了解和思考一下Jva技术体系中这些技术特性是如何实现的。认识这些技术运作的本质，是自己思考“程序这样写好不好“的基础和前提。当我们在使用一种技术时，如果不再依赖书本和他人就能得到这些问题的答案，那才算上升到了不惑"的境界。

        本书将与读者一起分析Java技术中最重要的那些特性的实现原理。在本章中，我们将重点介绍Java技术体系内容以及Java的历史、现在和未来的发展趋势。

2.Java技术体系

        从广义上讲，Clojure、JRuby、Groovy等运行于Java虚拟机上的语言及其相关的程序都属于Java技术体系中的一员。如果仅从传统意义上来看，Sun官方所定义的Java技术体系包括以下几个组成部分：

                Java程序设计语言

                各种硬件平台上的Java虚拟机

                Java API类库

                来自商业机构和开源社区的第三方Java类库

        

        我们可以把Java程序设计语言、Java虚拟机、Java API类库这三部分统称为JDK（Java Development Kit），JDK是用于支持Java程序开发的最小环境，在后面的内容中，为了讲解方便，有一些地方会以JDk来代替整个Java技术体系。另外，可以把Java API类库中的Java SE API子集和Java虚拟机这两部分统称为JRE（Java Runtime Environment），JRE是支持Java程序运行的标准环境。

第二部分 自动·内存管理机制

        第2章 Java内存区域与内存溢出异常

1.概述

        对于从事 C 、 C + ＋程序开发的开发人员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的”皇帝”又是从事最基础工作的～劳动人民”一既拥有每一个对象的”所有权’，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。

        对于 Java 程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个 new 操作去写配对的 delete / free 代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存这一切看起来都很美好。不过，也正是因为 Java 程序员把内存控制的权力交给了 Java 虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

2.运行时数据区域

        Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户进程的启动和结束而建立和销毁。

        Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如下图：

        

3.程序计数器

        程序计数器（ Pr 闪 ra m counter Register ）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

        由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

        如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器值则为空（ Undefined ）。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutofMemoryError 情况的区域。

4.Java虚拟机栈

        与程序计数器一样， Java 虚拟机栈（ Java Virtual Machine Stacks ）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（ stack Frame ）公用于存储局部变里表、操作数柱、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

        经常有人把 Java 内存区分为堆内存（ Heap ）和栈内存（ Stac ），这种分法比较粗糙， Java 内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的 “堆‘’ 笔者在后面会专门讲述，而所指的 ”栈“ 就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

        局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（ boolean 、 byte 、 char 、 short 、 int 、 float 、 long 、 dcxjble ）、对象引用（ reference 类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和 returnAd - dress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

        其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用 2 个局部变量空间（ slot ) ，其余的数据类型只占用 1 个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

        在 Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackoverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展，只不过 Java 虑拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

5.本地方法栈

        本地方法栈(NativeMethodStack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如SunHotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

6.Java堆

        对于大多数应用来说，Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换豳优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

        Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”(Garbage Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”)。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、FromSurvivor空间、ToSurvivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(ThreadLocalAllocationBuffer，TLAB)。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。