认识jvm
java程序运行步骤
编译阶段
词法分析：
编译器会逐个字符地读取代码文本。
将连续的字符组合识别为有意义的词法单元，如关键字（如 public、class 等）、标识符（变量名、方法名等）、常量（数字、字符串等）、运算符（+、-、*、/ 等）以及各种分隔符（如括号、分号等）。
这些词法单元被标记并分类，形成一个有序的词法单元序列。
语法分析：
基于词法单元序列，根据 Java 语言定义的语法规则，构建一棵抽象语法树（AST）。
AST 以树状结构表示代码的语法结构，节点代表各种语法元素，如类声明、方法定义、表达式等。
语法分析器会检查代码是否符合 Java 语法的正确组合和嵌套关系。
语义分析：
对 AST 进行更深入的分析，检查语义的正确性。
包括变量的声明和使用是否匹配、类型是否正确、方法调用的参数是否合法等。
还会进行一些复杂的语义检查，如继承关系的合法性、多态性的处理等。
字节码生成：
基于经过语义分析后的 AST，编译器将代码转换为字节码指令。
为每个方法、类等生成相应的字节码序列。
同时，会处理一些细节，如生成常量池，包含字符串常量、类和方法的引用等信息。
最终生成对应的字节码文件（.class 文件），每个类都有自己独立的字节码文件。
运行阶段
启动 JVM：
用户执行 Java 程序时，操作系统会启动 JVM 进程。
JVM 会进行一系列的初始化操作，包括设置内存区域、加载一些核心类等。
类加载：
JVM 中的类加载器负责加载需要执行的类的字节码文件。
它首先会检查类是否已经加载，如果没有，则从特定的位置（如类路径）读取字节码文件并加载到内存中。
加载过程包括解析字节码文件，创建对应的类对象，并将其存储在方法区。
字节码执行：
JVM 的执行引擎负责执行字节码指令。
执行引擎可以采用不同的执行方式，如解释执行或即时编译（JIT）。
解释执行是逐行解释字节码并执行相应操作；JIT 会在运行时将热点代码编译成本地机器码以提高执行效率。
执行过程中涉及到各种操作，如算术运算、逻辑判断、方法调用、对象创建等。
对于方法调用，会根据方法的具体实现执行相应的代码。
内存管理：
JVM 将内存划分为多个区域，如堆用于存储对象实例，栈用于方法调用和局部变量等。
它会进行内存分配，当对象不再使用时进行垃圾回收，以释放内存空间。
内存管理机制确保程序在运行时有足够的内存可用，同时避免内存泄漏和无效的内存访问。
与操作系统交互：
当需要进行输入输出、网络通信等操作时，JVM 通过特定的接口与操作系统交互。
操作系统提供了底层的资源和服务，JVM 调用这些功能来完成实际的操作。
java的跨平台特性
不同的操作系统和硬件平台都有各自对应的 JVM 实现。JVM 负责解释执行字节码或者在运行时进行即时编译（JIT）将其转换为本地机器码。JVM 屏蔽了底层硬件和操作系统的差异，使得字节码可以在不同平台上的 JVM 中以相同的方式运行。
JVM 提供了运行 Java 程序所需的运行时环境，包括内存管理、线程调度、安全机制等。这些功能在不同平台上由 JVM 实现，保证了程序运行的一致性和稳定性。
java中的jvm
可以看出jdk是包含jre，jre是包含jvm的。
jvm是 Java 程序能够跨平台运行的核心。JDK 用于开发，JRE 用于运行。
jvm负责加载字节码并执行，提供了内存管理、线程调度等基础功能，将字节码解释或编译成本地机器指令来执行。
jvm结构
类加载器
类加载器（ClassLoader）主要负责将字节码文件加载到内存中并创建对应的类对象。（详细内容会单独出一章进行讲解）
运行时数据区
运行时数据区（Runtime Data Area）是 Java 程序在运行时所使用的内存区域。
蓝色矩形内的线程共享，红色矩形内的线程私有
方法区
方法区（Method Area）是线程共享的内存区域，主要用于存储类信息、常量池、字段信息、方法信息，从java8开始被废弃，由元空间替代。
它有个别命叫非堆（Non-Heap）。当方法区无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError异常。
类信息：包括类的名称、访问修饰符、类的类型（如普通类、接口等）、父类信息等。
常量池：存放编译期生成的字面量（如字符串常量、数字常量等）和符号引用（类和方法的全限定名等）。运行期也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。
字段信息：每个类的字段相关信息，如字段名称、类型、修饰符等。
方法信息：每个方法的信息，包括方法名称、返回类型、参数列表、修饰符以及方法字节码等。
Java堆
java堆（Java Heap）是java虚拟机所管理的内存中最大的一块，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和数组（java虚拟机规范中的描述：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配）。
java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被成为“GC堆”。
从内存回收角度来看java堆可分为：新生代和老年代。
从内存分配的角度看，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。
无论怎么划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都是对象实例，进一步的划分都是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。
根据Java虚拟机规范的规定，java堆可以处于物理上不连续的内存空间中。当前主流的虚拟机都是可扩展的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制）。如果堆中没有内存可以完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
程序计数器
程序计数器（Program Counter）是 Java 运行时数据区中的一个较小但非常重要的部分，用于指示当前线程正在执行的字节码指令的地址。
是java内存模型中唯一没有OutOfMemoryError区域。
工作原理
当线程执行一个方法时，程序计数器会指向该方法的字节码的起始位置。随着方法的执行，程序计数器会不断更新，指向下一条要执行的字节码指令。如果该方法执行过程中发生了线程切换（例如被其他线程抢占了 CPU），当该线程重新获得执行机会时，程序计数器能让它准确地回到之前中断的位置继续执行。
特点
线程私有：每个线程都有自己独立的程序计数器，彼此之间互不影响。属于线程私有的内存
占用空间小：它所需的存储空间极小。
作用
保证线程执行连续性：确保线程能够按照正确的顺序和流程执行代码，不会因为各种情况（如中断、切换等）而迷失执行路径。
多线程协作基础：使得多个线程可以独立运行且互不干扰，各自的执行进度都能得到准确记录和恢复。
一个有趣的例子
小帅正在看电视
突然小帅的朋友打来电话，此时小帅暂停看电视，与朋友通话
电话结束，小帅接着看电视
CPU正在执行线程A的任务
线程B处于就绪态，CPU此时选择执行线程B的任务，挂起线程A
CPU执行完线程B的任务，继续切换回来继续执行线程A未完成的任务。（程序计数器的作用就在这儿，保证线程执行连续性、多线程协作的基础）
Java虚拟机栈
Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）是 Java 虚拟机中用于存储方法调用和局部变量等信息的一种数据结构。
特点
线程私有：每个线程都有自己独立的 Java 虚拟机栈，它的生命周期和线程相同。
先进后出顺序：遵循先进后出的原则，保证了方法调用的正确顺序和逻辑。
栈结构
java虚拟机栈由一个个栈帧组成，栈帧用于存储方法调用的相关信息，包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。
虚拟机栈：定义了一个虚拟机栈的接口，包含了 push(栈帧) 方法表示将栈帧压入栈中，以及 pop() 方法表示弹出栈顶的栈帧。
栈针结构
局部变量表：用于存储方法中的局部变量，包括基本数据类型、对象引用地址和ReturnaddressType类型等。
ReturnaddressType类继承自“Type”类，目的是用于表示返回地址类型，在程序中可能用于处理或标识某种特定类型的返回地址。操作数栈：在方法执行过程中用于进行数据操作和运算。
动态链接：将符号引用转换为直接引用，以支持方法调用的动态绑定。
在 Java 程序运行时，当一个方法调用另一个方法时，可能并不知道被调用方法的具体内存地址。此时存在的只是一个符号引用，它包含了关于被调用方法的一些信息，比如方法所在的类、方法名等。随着程序的执行，在需要实际执行这个方法调用时，就需要通过动态链接来将这个符号引用解析为真正的直接引用，也就是确定该方法在内存中的具体位置。 动态链接使得 Java 能够实现动态绑定等特性，增强了程序的灵活性和扩展性。它在运行时根据实际的类和对象情况来确定具体调用的方法版本，从而支持多态等机制。这样，即使在运行时类的结构或关系发生了变化，也能够正确地进行方法调用和处理。
方法出口：记录方法执行完毕后要返回的位置，以便正确返回到调用该方法的地方。
当一个方法执行完毕后，程序需要知道接下来应该回到哪里继续执行。方法出口就记录了这个“返回的位置”。具体来说，当一个方法被调用并进入执行后，在栈帧中会记录下调用该方法的下一条指令的位置（比如在调用者方法中的位置）。当该方法正常结束（比如执行到方法的最后一行代码或者通过特定的返回语句结束），就会根据这个方法出口所记录的位置，跳回到调用者那里，继续从那个位置开始执行后续的代码。它确保了方法调用的流程能够正确地延续和返回，维持程序执行的连贯性和正确性。
本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与 Java 虚拟机栈类似，它也是线程私有的，主要用于支持 Native 方法（非 Java 语言编写的方法，如C、C++）的执行。
主要区别在于所服务的方法类型不同。Java 虚拟机栈主要服务于 Java 方法，而本地方法栈则专注于 Native 方法。
特点和作用
与本地方法关联：当线程调用本地方法时，相关的信息和数据会存储在本地方法栈中。
执行环境：为本地方法的执行提供了一个独立的运行环境和空间，用于管理本地方法执行过程中的状态、局部变量等。
跨语言支持：允许 Java 程序与其他语言编写的代码进行交互和协作，拓展了 Java 程序的功能和应用场景。
栈操作：也遵循先进后出的原则，记录本地方法的调用顺序和状态切换。
执行引擎
执行引擎是 Java 虚拟机的核心组成部分之一，主要负责将字节码转换为具体的机器指令并执行
结构
解释器
解释器是 Java 虚拟机中用于执行字节码的组件，它逐行读取字节码指令，并将其转换为具体的操作（本地机器指令）来执行。通过对字节码的解释执行，实现了 Java 程序的运行。
分类
字节码解释器：通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低
模板解释器:：每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数能直接生产这条字节码执行时的机器码。
工作原理
按照字节码规范，对每一条字节码指令进行解析和处理。它理解指令的含义，然后执行相应的计算、数据操作、流程控制等动作。
优势
跨平台性：因为只需要解释字节码，而不需要针对特定硬件进行编译，所以能保证 Java 在不同平台上的一致性和可移植性。
启动速度相对较快：不需要进行复杂的编译过程，可快速开始执行程。
JIT编译器
分类
C1编译器（Client Compiler）：C1编译器会对字节码进行简单和可靠的优化，耗时短，以达到更快的编译速度。
C2编译器（Server Compiler）：C2编译器会进行更长时间的优化，采取更激进的优化策略，耗时长，编译后的代码执行效率更高。
可以通过命令来设置JVM运行时使用哪种JIT，但64位机器只能使用Server Compiler（C2编译器）。
-client 指定使用C1编译器
-server 指定使用C2编译器工作原理
热点探测：JIT 编译器会监测程序运行过程中哪些代码片段被频繁执行，这些被称为热点代码。
编译执行：一旦确定了热点代码，就会将其编译成本地机器代码，之后再执行这些代码时，就可以直接执行高效的本地机器代码，而无需再通过字节码解释器进行解释执行，从而大大提高了执行速度。
优化：在编译过程中，JIT 编译器还可以进行各种优化，如代码优化、指令重排等，以进一步提升性能。
优势
适应动态性：能根据程序实际运行情况针对性地进行编译和优化，更适合 Java 这种动态语言的特点。
性能提升：在热点代码上实现了比字节码解释器更高的执行效率。
工作方式
默认情况下，HotSpot VM采用解释器与JIT编译器并存的架构，开发者可以通过参数设置完全使用解释器或者完全使用JIT编译器。
-Xint 完全使用解释器来执行程序
-Xcomp 完全使用JIT编译器 如果编译出错 解释器会介入执行
-Xmixed 解释器+JIT编译器共同执行程序(默认）热点代码
热点代码是指在程序运行过程中被频繁执行的代码片段，直接决定该代码片段是否被JIT编译器编译。
JIT编译器在运行期间会对热点代码做出深度优化，并将其编译成机器指令缓存到方法区的Code Cache，以提升Java程序的执行性能。
热点代码判定次数C1是1500次，C2是10000次。
热点探测
基于计数器的热点探测：
hotspot vm正是基于计数器的热点探测
方法调用计数器：统计方法被调用的次数。当一个方法被调用达到一定次数时，就可能被视为热点。
回边计数器：主要针对循环，统计一个方法中循环代码块的执行次数。如果循环执行频繁，该部分代码就可能成为热点。
基于采样的热点探测：定期对程序运行状态进行采样，分析哪些代码片段被执行的频率较高。这种方式相对简单，但可能不够精确。
基于踪迹的热点探测：通过跟踪程序执行的具体踪迹来确定热点代码。这种方式能更准确地捕捉到执行频繁的代码路径，但实现起来可能更复杂。
本地接口库
本地接口库是一组由本地代码（通常是 C 或 C++）实现的接口，它允许 Java 代码与底层操作系统或硬件进行交互。
作用
提供对底层资源的访问
可以直接访问操作系统的功能，如文件系统操作、网络通信、图形处理等。
实现 Java 中无法直接实现的高性能操作。
与其他语言交互
使得 Java 能够调用用其他语言编写的库和程序，实现跨语言的集成。
例如，与 C/C++ 编写的高性能计算库进行交互。
工作原理
Java 代码中的本地方法声明
在 Java 代码中，可以使用native关键字声明一个本地方法。这个方法没有具体的实现，只是一个占位符，表示该方法将由本地代码实现。加载本地库
当 Java 程序运行时，JVM 会根据需要加载相应的本地接口库。这个过程通常是动态的，可以在运行时根据特定的条件加载不同的本地库。方法调用与执行
当 Java 代码调用一个本地方法时，JVM 会将控制权转移到本地接口库中的相应实现。本地代码执行完毕后，将结果返回给 Java 代码。
优点
性能提升：对于一些需要高性能的操作，使用本地接口库可以充分利用底层系统的优势，提高程序的执行效率。
灵活性：可以根据具体需求选择合适的本地库，实现特定的功能。
注意事项
平台依赖：本地接口库通常是针对特定的操作系统和硬件平台编写的，因此在不同的平台上可能需要不同的本地库。
安全性：由于本地代码可以直接访问底层系统，因此需要注意安全性问题，防止恶意代码的攻击。
维护成本：本地接口库需要用 C 或 C++ 等语言编写和维护，这可能增加开发和维护的难度。
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