Java虚拟机学习笔记(1)--小试
最近开始研究jvm，mark一下。。。

1. 概览
虚拟机，一个根据规范定义出的虚拟机的计算机

虚拟机可能是：一个规范、一个实现、一个运行中的机器实列

1.1 生命周期
当java程序开始运行时一个新的jvm实列就出现了，启动jvm必须指定初始类，初始类中的有大家熟悉的main方法

main会被初始线程调用，其他线程（守护和非守护）都是从此线程衍生

解释： 只要有非守护线程在jvm就会继续，当没了非守护jvm不管有没有守护线程都会shutdown

1.2 体系结构
子系统+内存区+数据类型+指令

子系统主要有ClassLoader子系统（装载class）和执行引擎子系统（执行指令）
内存区：jvm instance都有shared的方法区（类型信息区）和堆（对象区），而当每个线程启动时，又会得到自己的PC寄 存器（熟悉的PC）和一个Java栈，如果调用了本地方法还会得到本地方法栈。
jvm没有使用寄存器，指令直接操作栈，从而让指令集更紧凑，兼容更多平台，也更好的适应动态编译和即时编译

1.2.1 数据类型
jvm规定了数据类型和支持的运算

类型可以分为基本类型和引用类型两种

Java中基本类型同样也是jvm中的基本类型，但boolean有点特殊，boolean可能被映射为int or byte；jvm还有个只在内部使用的returnAddress类型，用于finally；

1.2.2 字长设置
一般一个字长可以容下byte、short、char、int、float等
两个字长可以容下long和double

1.2.3 ClassLoader子系统

classloader有两种bootstrap和user classloader。bootstrap是jvm自己实现的（可能是c），而后者是java程序

对于每个被装载的类型，jvm都会创建一个java.lang.Class文件，classloader本身和class类都将在堆区分配空间，而装载的信息将进入方法区
装载（查找并load）-> 连接(执行验证、准备并解析) -> 初始化（设为正确的值）

在java1.1时，是使用bootstrap来查找定位class文件的，在1.2后，bootstrap只负责载入系统类，而搜索classpath的任务交给了一个开机启动的自定义类加载器----系统类装载器

classloader中有几个关键方法：
defineClass（）通过一块二进制片段+类名来进行类定义导入
findSystemClass（）使用系统类加载器来载入指定class文件
resolveClass（）完成类的连接操作

classloader会带来命名空间，被不通classloader转载的类处于不同的空间，所以最准确的class定位还需要加上装载器标识


1.2.4 方法区
classloader在读取class文件到vm中后，vm提取类型信息，并输入到方法区中,为了能更快的得到方法区中信息，jvm可以通过在方法区中添加冗余数据来加快访问速度

作为共享使用的方法区，其数据访问必须被设计为是线程安全的（只应该有一个线程去装载）

方法区大小不是固定的，可以被垃圾回收

方法区存储的基本类型信息包括：
1.类型的全限名（class中的全限名的.被替换为/）
2.直接超类的全限名
3.是类还是接口
4.访问修饰符
5.超接口的全限名的有序列表

此外还还保存：类型的常量池，字段信息，方法信息，静态变量，ClassLoader引用，Class引用

1）常量池：包括直接常量和对其他类型、字段和方法符号的引用（每个类一个可以通过索引访问）
2）字段信息：(字段名、字段类型、修饰符)，每个字段都保存，并且维护字段顺序
3）方法信息：类型中的每个方法一个，并维护方法申明顺序
方法名、返回类型、参数数量和类型（+申明顺序）、修饰符
如果不是抽象或本地方法那还有：
方法的字节码、操作数栈和该方法栈中局部变量的大小、异常表
4）类型变量：作为类型申明的一部分而保存
5）ClassLoader引用：vm会在进行动态连接时是用这个引用来找到并使用用户自定义Classloader
6）Class引用：通过这个引用，可以访问位于方法区内的和类型有关的信息（在动态连接时可能会利用此信息来确定分配大小）
7）方法表：为了加快访问速度，可选的，可以为每个非抽象类生成一个vtable


1.2.5 堆
java在运行时创建的所有类实例或数组都放在一个共享的堆中

jvm有在堆中分配空间的指令，但没有释放空间的指令

垃圾回收：主要是自动回收不在被程序引用的对象所占用的内存，并且也有可能会移动正在使用的对象，从而减少碎片

堆不是固定不变的，垃圾回收要求动态调整堆，在堆上也有可能会承载类型信息，也就是说垃圾回收也可能回收堆上的不使用的类型信息。

堆一般有两种思路：1）通过堆中的句柄再指向对象 2）直接指向对象
和世上其他的“两种”一样，合理结合分情况使用才是“最佳”思路

堆中的数据可能在类型转换和instanceof操作符时需要到方法区查找使用类型信息


如果有方法表，则方法表每一项是一个指向“实列方法数据的指针”（包括：操作数数栈、局部变量区大小、字节码、异常表）

此外堆中的每个对象都还有一个对象锁引用，以用来协调对象的共享访问（很多实现在使用到锁的时候才分配锁引用）
堆中对象还有等待集合的数据，用来实现wait、notify、notifyAll
最后，对象还有些数据来标记垃圾回收的知识

数组也是对象，所有具有相同纬度和类型的数组都是同一个类的实列，数组类由“[+类型名称”组成


1.2.6 程序计数器
当线程启动时，vm会分配一个java栈，vm只会对栈进行压栈和出栈操作
当线程开始调用一个方式时，会压入一个新帧，成为当前帧；而当方法返回时（return或异常），则会弹出一个帧并释放之
栈上的数据都是此线程私有的

java栈和帧在内存中可以是不连续的

1.2.7 栈帧
三部分组成：局部变量区、操作数栈和帧数据区

当vm调用一个方法时，会询问类的类型信息，并获取局部变量区和操作数栈的大小

1）局部变量（包括方法参数和局部变量）：

java栈帧的局部变量区被组织为以字长为单位，从0开始计数的数组


对于java方法参数，vm会严格按照申明顺序，将参数放入局部变量区，而对于方法中局部变量，可以任意防止，甚至一个索引对应多个变量

note：byte、short和char可以被vm直接引用，但在放入局部变量和操作数栈时会被转为int

2） 操作数栈
被组织为一个以字长为单位的数组，只通过压栈和出栈操作来访问

jvm的指令的操作数不是从寄存器而是从操作栈中取得

操作栈就是jvm的工作区，指令都从这弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈

当vm需要常量池数据指令时，他会通过帧数据区中的常量池指针来访问

vm在return后会恢复栈帧，包括pc计数器指向下一个

如果异常退出，帧数据区还得保存一个对异常表的引用

可能还有其他数据：如调试数据

stack的实现方式：
a. 单独分配
b. 重叠分配
c. 两者结合

1.2.8 本地方法栈


1.2.9 执行引擎（core）
运行的java程序的每个线程都是一个独立的虚拟机执行引擎实列。从开始到结束要么执行字节码要么执行本地方法。

指令集：方法字节流是由jvm的指令序列构成。每个操作码后跟0个或多个操作数，可能使用常量池、局部变量或帧操作栈顶端的值

如何决定下一步操作：
1） 一般情况就是之后跟随的下一句语句
2）goto 或者return 时，引擎决定下一个操作码时把他当作当前指令的一部分
3） athrow指令，就明确的抛出一个异常

jvm指令有各种助记符，并使用汇编语言的风格。

使用一栈为中心的方法，可以让vm适应没有寄存器 的环境。
并且可以便于以栈为结构向连接器或优化器传递数据，便于优化，可以和即时编译和动态连接结合

class中的字节码，除了跳转指令，其他指令都是按照字节对其的，这种相对紧凑的组织方式，可以提高一定的运行效率，并且易于检查

为了便于检查，指令中的的一部分操作码指明了需要操作的类型（istore、fstore），检查操作可以用预验证和执行前验证的方式，检查操作了正确类型的数据

执行技术：解释、即时编译、自适应优化、芯片直接执行等
自适应：对经常使用且要求效率的部分使用编译优化（比如常用代码的inline）。


线程：可以在多种体系结构上实现并行处理。
vm线程需要支持：对象锁定和线程等待通知 机制

vm线程的行为是通过 变量、内存和工作内存-----来定义的

如果某个访问没有被同步，vm可以使用任何顺序来更新主存（可见性问题）

1.2.10 本地方法接口
JNI为的设计考虑了可移植性