java語言與jvm虛擬機簡介

 

1、java語言

    1.1 支持面向對象編程oop

        強調支持，由於java一樣能夠面向過程編程，但java是爲oop而生的。

        oop的三大特性是：封裝、繼承、多態。

        封裝主要針對成員變量而言，oop的思想要求成員變量均爲私有，不該該對外可以訪問，一個符合oop思想的類應該只有公共方法對外可以訪問；

        繼承，主要理解繼承體系，private、protected、public在繼承中的使用場景。理解java是單繼承多實現的（與C++的區別）；

        多態主要指一個類的實例是運行時決定的，而不是聲明時決定的。父類 a = new 子類();是能夠的。這種做用在於能夠面向抽象編程、面向接口編程，對象沒必要必須和聲明的類一致，只要是它的子類、孫子類等便可；

    1.2 jdk版本對java語言的改進

        1996年發佈jdk1.0，java語言具有基礎的oop語法；

        1997年發佈jdk1.1，引入內部類；

        2004年發佈jdk1.5，引入語法糖，自動拆裝箱、泛型、動態註解、枚舉、可變長參數、遍歷循環(foreach)；

        2014年發佈jdk8，引入Lambda表達式；

2、jvm虛擬機(本文特指官方默認的HotSpot虛擬機)

    2.1 發展

        由一家小公司Longview Technologies開發出來，1997年被sun公司收購，jdk1.3以後正式成爲官方默認虛擬機；

        HotSpot得名於其熱點代碼探測技術，能夠有效的把熱點代碼探測出來，並利用JIT編譯器將熱點代碼進一步優化並編譯成機器代碼，提升運行效率；

    2.2 jvm虛擬機的內存區域組成

        程序計數器，線程私有，指向字節碼指令；

        java虛擬機棧，線程私有，主要就是描述java方法的，配合程序計數器一塊兒一步一步往下執行方法（理解爲何是棧）；

        本地方法棧，線程私有，跟java虛擬機棧相似，區別是它用來執行非java方法；

        java堆，線程共享，這是最大的一塊虛擬機內存區域，主要就是咱們new的對象都會分配在這裏，這裏分爲新生代（Eden、Survivor一、Survivor2）和老年代；

        方法區，線程共享，在HotSpot裏叫永久代（Permanent Generation），存放加載的類信息、常量、靜態變量等，static代碼塊、static變量、static方法都會存放在這裏有一個副本。爲何叫永久代，主要是對這部分的對象實例回收的效率不高，這部分對象實例存活率較高；

        運行時常量池，是方法區的一部分；

        直接內存，不是虛擬機內存的一部分，指申請虛擬機內存外的內存。

    2.3 垃圾收集算法

        怎麼樣判斷對象能夠回收？有引用計數算法和可達性分析算法。引用計數算法很簡單，給每一個對象一個引用計數器，每當有一個地方引用了它，那麼就給它計數器+1，當這個引用失效以後計數器-1，這樣作很是高效，但有一個缺陷是互相引用的對象，沒法被回收，形成內存泄露。HotSpot使用可達性分析算法，可達性分析算法從GC Roots對象出發是否可達來判斷對象是否能夠回收，GC Roots對象包括虛擬機棧引用的對象、方法區類靜態屬性引用的對象、方法區常量引用的對象、本地方法棧中引用的對象；

        IBM研究指出98%的對象都是朝生夕死，故新生代中回收頻率要較高，每次能夠回收大量內存，老年代中通過兩次以上的回收仍存活，說明回收的效率不高，回收頻率能夠低一點。另外，大對象不在新生代中分配，而是直接進入老年代。

        ①標記-清除算法。算法的思想是首先把須要回收的對象標註出來，而後統一清除回收。實現起來很簡單，但標記和清除的效率不高，還會產生大量不連續的內存空間，影響後續爲新對象分配內存，尤爲是大對象。

        ②複製算法。針對標記-清除算法的問題，複製算法的思想是把內存區域均等的分紅兩塊，好比10M的內存均等分爲兩塊5M，每一個時刻只能使用一塊，第一次將新對象分配給第一塊內存，第一次GC時，先從第一塊標記仍存活對象的對象，而後統一複製到第二塊內存中，並按內存空間順序排好，第一塊內存則所有回收。第二次回收時就先從第二塊開始，循環往復。這樣作效率很高，而且內存空間能夠連續分配。但形成一個問題是原本10M的內存只能用一半，形成內存的浪費。

        HotSpot在實際實現複製算法時，將內存空間劃分爲Eden和兩個Survivor，且默認Eden和Survivor的比例是8:1:1，新對象分配在Eden中，第一次回收後存活對象被複制到Survivor 1中，Eden所有清除，第二次新對象仍分配在Eden中，第二次回收時Eden和Survivor 1中存活對象被複制到Survivor 2中，Eden和Survivor 1所有清除。

        這裏有一個問題：若是存活對象超過內存的10%，Survivor放不下怎麼辦？這時候就須要從老年代中進行分配擔保（Handle Promotion）。

        ③標記-整理算法。和新生代不一樣，在老年代中GC回收的效率不會過高，使用複製算法Survivor空間極可能是不夠的，若是將Survivor調大又浪費內存空間，這時就提出了標記-整理算法應對老年代的實際狀況。標記-整理算法內存回收時先將全部存活對象標記出來，但不進行清除，而是將存活對象都往內存的一端移動，那麼內存末端都是可回收的對象，當這些可回收對象被「擠出」內存邊界的時候，則被清除了。

        因爲HotSpot中把java堆中分爲新生代、老年代，他們存活的概率不同，因此按新生代和老年代採起不一樣的算法，這就叫分代收集算法，在新生代中採起復制算法，在老年代中使用標記-清除或標記-整理算法。

    2.4 垃圾收集器

        上面分析了新生代、老年代應該採起怎樣的算法，HotSpot中針對實際應用場景，實現了不一樣的垃圾收集器：

        ①Serial收集器，複製算法，單線程，Client模式下默認新生代收集器。會有Stop The World問題；

        ②ParNew收集器，複製算法，多線程，新生代收集器；

        ③Parallel Scavenge收集器，複製算法，多線程，新生代收集器，與ParNew的區別在於它針對吞吐量設計的；

        ④Serial Old收集器，標記-整理算法，單線程，Client模式下默認老年代收集器；

        ⑤CMS收集器，標記-清除算法，多線程，老年代收集器，以下降停頓時間爲目標，只在初始標記、從新標記的時候須要Stop The World，採起併發標記和併發清除下降停頓時間；

        ⑥G1收集器，標記-整理算法+複製算法，多線程，新生代+老年代收集器，是JDK1.7最新的研究成果，以CMS收集器的基礎上，加上覆制算法的理念，將內存區域劃分爲多個大小相等的Region，每一個Region再分爲新生代和老年代。每次GC時根據Region回收價值優先進行回收，避免之前收集器須要進行全區域垃圾收集和回收；

3、編譯與運行

    3.1 javac編譯器編譯

        第一次編譯，將.java文件編譯成中間語言，輸出.Class文件，這期間主要完成語法分析和詞法分析（編譯原理）、註解處理、語義分析（解語法糖等）、生成字節碼Class文件；

    3.2 解釋器

        類加載進解釋器運行，類加載的過程有：加載、驗證、準備、解析、初始化；

    3.3 JIT即時編譯器

        解釋器監控熱點代碼爲JIT編譯器進一步編譯提供監控數據，觸發JIT編譯器將熱點代碼編譯成機器代碼；

 

    本人知識水平有限，文章不免有紕漏之處，請不吝糾正勘誤。