JVM核心知识体系
1.问题
- 1、如何理解类文件结构布局？
- 2、如何应用类加载器的工作原理进行将应用辗转腾挪？
- 3、热部署与热替换有何区别，如何隔离类冲突？
- 4、JVM如何管理内存，有何内存淘汰机制？
- 5、JVM执行引擎的工作机制是什么？
- 6、JVM调优应该遵循什么原则，使用什么工具？
- 7、JPDA架构是什么，如何应用代码热替换？
- 8、JVM字节码增强技术有哪些？
2.关键词
类结构，类加载器，加载，链接，初始化，双亲委派，热部署，隔离，堆，栈，方法区，计数器，内存回收，执行引擎，调优工具，JVMTI，JDWP，JDI，热替换，字节码，ASM，CGLIB，DCEVM
3.全文概要
作为三大工业级别语言之一的JAVA如此受企业青睐有加，离不开她背后JVM的默默复出。只是由于JAVA过于成功以至于我们常常忘了JVM平台上还运行着像Clojure/Groovy/Kotlin/Scala/JRuby/Jython这样的语言。我们享受着JVM带来跨平台“一次编译到处执行”台的便利和自动内存回收的安逸。本文从JVM的最小元素类的结构出发，介绍类加载器的工作原理和应用场景，思考类加载器存在的意义。进而描述JVM逻辑内存的分布和管理方式，同时列举常用的JVM调优工具和使用方法，最后介绍高级特性JDPA框架和字节码增强技术，实现热替换。从微观到宏观，从静态到动态，从基础到高阶介绍JVM的知识体系。
4.类的装载
4.1类的结构
我们知道不只JAVA文本文件，像Clojure/Groovy/Kotlin/Scala这些文本文件也同样会经过JDK的编译器编程成class文件。进入到JVM领域后，其实就跟JAVA没什么关系了，JVM只认得class文件，那么我们需要先了解class这个黑箱里面包含的是什么东西。
JVM规范严格定义了CLASS文件的格式，有严格的数据结构，下面我们可以观察一个简单CLASS文件包含的字段和数据类型。
ClassFile {
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
详细的描述我们可以从JVM规范说明书里面查阅类文件格式，类的整体布局如下图展示的。
在我的理解，我想把每个CLASS文件类别成一个一个的数据库，里面包含的常量池/类索引/属性表集合就像数据库的表，而且表之间也有关联，常量池则存放着其他表所需要的所有字面量。了解完类的数据结构后，我们需要来观察JVM是如何使用这些从硬盘上或者网络传输过来的CLASS文件。
4.2加载机制
4.2.1类的入口
在我们探究JVM如何使用CLASS文件之前，我们快速回忆一下编写好的C语言文件是如何执行的？我们从C的HelloWorld入手看看先。
#include <stdio.h>
int main() {
/* my first program in C */
printf("Hello, World!
");
return 0;
}
编辑完保存为hello.c文本文件，然后安装gcc编译器（GNU C/C++）
$ gcc hello.c
$ ./a.out
Hello, World!
这个过程就是gcc编译器将hello.c文本文件编译成机器指令集，然后读取到内存直接在计算机的CPU运行。从操作系统层面看的话，就是一个进程的启动到结束的生命周期。
下面我们看JAVA是怎么运行的。学习JAVA开发的第一件事就是先下载JDK安装包，安装完配置好环境变量，然后写一个名字为helloWorld的类，然后编译执行，我们来观察一下发生了什么事情？
先看源码，有够简单了吧。
package com.zooncool.example.theory.jvm;
/**
* Created with IntelliJ IDEA. User: linzhenhua Date: 2019/1/3 Time: 11:56 PM
* @author linzhenhua
*/
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("my classLoader is " + HelloWorld.class.getClassLoader());
}
}
编译执行
$ javac src/main/java/com/zooncool/example/theory/jvm/HelloWorld.java
$ java -cp src/main/java/ com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld
my classLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55
对比C语言在命令行直接运行编译后的a.out二进制文件，JAVA的则是在命令行执行java classFile，从命令的区别我们知道操作系统启动的是java进程，而HelloWorld类只是命令行的入参，在操作系统来看java也就是一个普通的应用进程而已，而这个进程就是JVM的执行形态（JVM静态就是硬盘里JDK包下的二进制文件集合）。
学习过JAVA的都知道入口方法是public static void main(String[] args)，缺一不可，那我猜执行java命令时JVM对该入口方法做了唯一验证，通过了才允许启动JVM进程，下面我们来看这个入口方法有啥特点。
-
去掉public限定
$ javac src/main/java/com/zooncool/example/theory/jvm/HelloWorld.java $ java -cp src/main/java/ com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 错误: 在类 com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为: public static void main(String[] args) 否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application
说名入口方法需要被public修饰，当然JVM调用main方法是底层的JNI方法调用不受修饰符影响。
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去掉static限定
$ javac src/main/java/com/zooncool/example/theory/jvm/HelloWorld.java $ java -cp src/main/java/ com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 错误: main 方法不是类 com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 中的static, 请将 main 方法定义为: public static void main(String[] args)
我们是从类对象调用而不是类创建的对象才调用，索引需要静态修饰
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返回类型改为int
$ javac src/main/java/com/zooncool/example/theory/jvm/HelloWorld.java $ java -cp src/main/java/ com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 错误: main 方法必须返回类 com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 中的空类型值, 请 将 main 方法定义为: public static void main(String[] args)
void返回类型让JVM调用后无需关心调用者的使用情况，执行完就停止，简化JVM的设计。
-
方法签名改为main1
$ javac src/main/java/com/zooncool/example/theory/jvm/HelloWorld.java $ java -cp src/main/java/ com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 错误: 在类 com.zooncool.example.theory.jvm.HelloWorld 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为: public static void main(String[] args) 否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application
这个我也不清楚，可能是约定俗成吧，毕竟C/C++也是用main方法的。
说了这么多main方法的规则，其实我们关心的只有两点：
- HelloWorld类是如何被JVM使用的
- HelloWorld类里面的main方法是如何被执行的
关于JVM如何使用HelloWorld下文我们会详细讲到。
我们知道JVM是由C/C++语言实现的，那么JVM跟CLASS打交道则需要JNI(Java Native Interface)这座桥梁，当我们在命令行执行java时，由C/C++实现的java应用通过JNI找到了HelloWorld里面符合规范的main方法，然后开始调用。我们来看下java命令的源码就知道了
/*
* Get the application's main class.
*/
if (jarfile != 0) {
mainClassName = GetMainClassName(env, jarfile);
... ...
mainClass = LoadClass(env, classname);
if(mainClass == NULL) { /* exception occured */
... ...
/* Get the application's main method */
mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V");
... ...
{/* Make sure the main method is public */
jint mods;
jmethodID mid;
jobject obj = (*env)->ToReflectedMethod(env, mainClass, mainID, JNI_TRUE);
... ...
/* Build argument array */
mainArgs = NewPlatformStringArray(env, argv, argc);
if (mainArgs == NULL) {
ReportExceptionDescription(env);
goto leave;
}
/* Invoke main method. */
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
4.2.2类加载器
上一节我们留了一个核心的环节，就是JVM在执行类的入口之前，首先得找到类再然后再把类装到JVM实例里面，也即是JVM进程维护的内存区域内。我们当然知道是一个叫做类加载器的工具把类加载到JVM实例里面，抛开细节从操作系统层面观察，那么就是JVM实例在运行过程中通过IO从硬盘或者网络读取CLASS二进制文件，然后在JVM管辖的内存区域存放对应的文件。我们目前还不知道类加载器的实现，但是我们从功能上判断无非就是读取文件到内存，这个是很普通也很简单的操作。
如果类加载器是C/C++实现的话，那么大概就是如下代码就可以实现
char *fgets( char *buf, int n, FILE *fp );
如果是JAVA实现，那么也很简单
InputStream f = new FileInputStream("theory/jvm/HelloWorld.class");
从操作系统层面看的话，如果只是加载，以上代码就足以把类文件加载到JVM内存里面了。但是结果就是乱糟糟的把一堆毫无秩序的类文件往内存里面扔，没有良好的管理也没法用，所以需要我们需要设计一套规则来管理存放内存里面的CLASS文件，我们称为类加载的设计模式或者类加载机制，这个下文会重点解释。
根据官网的定义A class loader is an object that is responsible for loading classes. 类加载器就是负责加载类的。我们知道启动JVM的时候会把JRE默认的一些类加载到内存，这部分类使用的加载器是JVM默认内置的由C/C++实现的，比如我们上文加载的HelloWorld.class。但是内置的类加载器有明确的范围限定，也就是只能加载指定路径下的jar包(类文件的集合)。如果只是加载JRE的类，那可玩的花样就少很多，JRE只是提供了底层所需的类，更多的业务需要我们从外部加载类来支持，所以我们需要指定新的规则，以方便我们加载外部路径的类文件。
系统默认加载器
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Bootstrap class loader
作用：启动类加载器，加载JDK核心类
类加载器：C/C++实现
类加载路径： <java_home>/jre/lib
URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs(); /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasig.jar /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/classes实现原理：本地方法由C++实现
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Extensions class loader
作用：扩展类加载器，加载JAVA扩展类库。
类加载器：JAVA实现
类加载路径：<java_home>/jre/lib/ext
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs")); /Users/linzhenhua/Library/Java/Extensions: /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext: /Library/Java/Extensions: /Network/Library/Java/Extensions: /System/Library/Java/Extensions: /usr/lib/java实现原理：扩展类加载器ExtClassLoader本质上也是URLClassLoader
Launcher.java
//构造方法返回扩展类加载器 public Launcher() { //定义扩展类加载器 Launcher.ExtClassLoader var1; try { //1、获取扩展类加载器 var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader(); } catch (IOException var10) { throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10); } ... } //扩展类加载器 static class ExtClassLoader extends URLClassLoader { private static volatile Launcher.ExtClassLoader instance; //2、获取扩展类加载器实现 public static Launcher.ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException { if (instance == null) { Class var0 = Launcher.ExtClassLoader.class; synchronized(Launcher.ExtClassLoader.class) { if (instance == null) { //3、构造扩展类加载器 instance = createExtClassLoader(); } } } return instance; } //4、构造扩展类加载器具体实现 private static Launcher.ExtClassLoader createExtClassLoader() throws IOException { try { return (Launcher.ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction<Launcher.ExtClassLoader>() { public Launcher.ExtClassLoader run() throws IOException { //5、获取扩展类加载器加载目标类的目录 File[] var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtDirs(); int var2 = var1.length; for(int var3 = 0; var3 < var2; ++var3) { MetaIndex.registerDirectory(var1[var3]); } //7、构造扩展类加载器 return new Launcher.ExtClassLoader(var1); } }); } catch (PrivilegedActionException var1) { throw (IOException)var1.getException(); } } //6、扩展类加载器目录路径 private static File[] getExtDirs() { String var0 = System.getProperty("java.ext.dirs"); File[] var1; if (var0 != null) { StringTokenizer var2 = new StringTokenizer(var0, File.pathSeparator); int var3 = var2.countTokens(); var1 = new File[var3]; for(int var4 = 0; var4