Java复习笔记 - 3

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Java基础知识总结-3:

类加载过程，双亲委派模型

  1. 加载(Loading):
    将java字节码数据从不同的数据源读取到JVM中，并映射为JVM认可的数据结构(Class对象)，这里的数据源可能是各种各样的形态，如jar文件、class文件，甚至是网络数据源等；
    如果输入数据不是ClassFile结构，会抛出ClassFormatError；
  2. 链接(Linking):
    核心步骤，把原始类定义信息转化为JVM运行时信息
  • 验证(Verification), 这是虚拟机安全的重要保障，JVM需要验证字节信息是否符合JAVA虚拟机规范，否则认为VerifyError，这样防止恶意信息和
    不合规信息危害JVM的运行，验证阶段可能出发更多class的加载;
  • 准备(Preparation), 创建类或者接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值，此处和显示初始化不同，重点在于分配内存空间，不会执行JVM指令;
  • 解析(Resolution), 这一步会将常量池中的符号引用(symbolic reference)替换为直接引用，以及类、接口、方法和字段的解析;
  1. 初始化(Initialization):
    这一步真正执行类初始化的代码逻辑，包括静态字段赋值的动作，以及执行类定义中的静态初始化块的逻辑，编译器在编译阶段将这部分逻辑准备好，
    父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。
  2. 双亲委派模型
    类加载器试图加载某个类型的时候，除非父加载器找不到相应类型，否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做，目的是避免重复加载
  3. 两个class仅在字节码和加载器相同时才视为同一个class

运行时动态生成Java类

  1. 字节码操纵框架： ASM、cglib、Javassist
  2. 关键是由byte code生成class对象的过程, 考虑到类加载过程中，主要功能是defineClass方法实现了字节码数据到class对象的转换
  3. 动态代理其实就是运行时生成class

JVM内存区域划分

  1. 程序计数器(PC, Program Counter Register). 在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，并且任何时间一个线程只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法，程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；若是本地方法，则是undefined;
  2. Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack). 每个线程创建时都会创建一个虚拟机栈，内部是一个个栈帧(Stack Frame)，对应一次次Java方法调用，栈帧中存储着局部变量表、操作数栈、动态链接、方法正常退出或异常退出的定义等;
  3. Java堆(Heap). Java内存管理的核心区域，用来放置Java对象实例，几乎所有创建的Java对象实例都是被直接分配在堆上。堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，我们指定的”Xmx”之类的参数就是用来指定最大堆空间，堆根据不同的垃圾收集器有更进一步的划分，最有名的是新生代和老年代的划分;
  4. 方法区(Method Area). 也是所有线程共享的区域，用来存储元数据(Meta data)，如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等,早期Hotspot JVM实现，很多人习惯于将方法区称为永久代(Permanent Generation)。Oracle JDK 8中将永久代移除，同时增加了元数据区(Metaspace);
  5. 本地方法栈(Native Method Stack). 它和Java虚拟机栈非常类似，支持对本地方法的调用，也是每个线程创建一个，在Oracle Hotspot JVM中，本地方法栈和Java虚拟机栈是在同一块区域，这取决于具体实现，规范未强制。

堆内部是什么结构

  1. 新生代
  • 新生代是大部分对象创建和销毁的地方，在通常的Java应用中，绝大部分对象的生命周期都很短暂，其内部又分为Eden区域，作为对象初始分配的区域，两个Survivor，有时候也叫from、to区域，被用来放置从Minor GC中保留下来的对象;
  • JVM会随意选取一个Survivor作为to区域，然后会在GC过程中进行区域间拷贝，也就是将Eden中存活下来的对象和from区域中的对象，拷贝到to区域这种设计为了防止内存的碎片化，并进一步清理无用对象;
  • 从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区域继续划分，Hotspot JVM还有一个概念叫Thread Local Allocation Buffer(TLAB), 这是JVM为每个线程分配的私有缓存区域，否则，多线程同时分配内存时，为避免操作同意地址，可能需要使用加锁机制，进而影响分配速度，TLAB其实分配在Eden中;
  1. 老年代
  • 放置长生命周期的对象，通常都是从Survivor中拷贝过来的对象，通常，普通对象会被分配在TLAB上，如果对象较大，JVM会试图分配在Eden其他位置上，如果对象太大，完全无法在新生代找到足够长的连续空闲空间，JVM会直接分配到老年代;
  1. 永久代
  • 这部分就是早期Hotspot JVM的方法区实现，用于存储Java类元数据、常量池、Intern字符串缓存，JDK8之后就不存在永久代这块了;
  1. 常用修改堆和内部大小的JVM参数

  • 最大堆体积

    1
    -Xmx value

  • 初始最小堆体积

    1
    -Xms value

  • 老年代和新生代的比例

    1
    -XX:NewRatio=value(默认是3，老年代是新生代的3倍大)

  • Eden和Survivor的比例

    1
    -XX:SurvivorRatio=value

register-based VM and stack-based VM

  1. 基于栈的虚拟机是操作数存储在栈上，通过pop操作数，执行指令，再push结果的虚拟机，代表有JVM、CPython、.NET CLR
  2. 基于寄存器的虚拟机是将操作数直接存在寄存器上，执行指令，将结果写在另一个寄存器上的虚拟机，代表Lua、Dalvik
  3. 栈虚拟机字节码占用空间较少，寄存器虚拟机执行效率较高
  4. jvm操作数栈上long, double占8个字节, boolean byte short int float reference占4个字节(64位hotspot虚拟机)
  5. Dalvik字节码2个字节，jvm字节码1个字节

Java Virtual Machine Specification

  1. Java Type
  2. primitive type
type bit sign abv default range note
byte 8-bit signed B default 0 [-2^ 7, 2^ 7 - 1] non
short 16-bit signed S default 0 [-2^15, 2^15 - 1] non
char 16-bit unsigned C default \u0000 [ 0, 65535] UTF-16
int 32-bit signed I default 0 [-2^31, 2^31 - 1] non
long 64-bit signed J default 0 [-2^63, 2^63 - 1] non
float 32-bit signed F default +0.0f ~[-3.4E38, 3.4E38] IEEE754
double 64-bit signed D default +0.0d ~[-1.8E308, 1.8E308] IEEE754
boolean 32-bit non Z default false(0) {false, true} non
  • 其实: boolean f = true; => iconst_1; istore_1; boolean数组映射为byte数组，操作使用byte数组的操作指令(baload, bastore)
  1. Reference type
  • class type 引用类的实例
  • array type 引用数组
  • interface type 引用实现了特定接口的类实例或数组
  1. Run-Time Data Area
  2. The pc Register
    每个线程独有一个程序计数器(program counter), 任一时刻，每个JVM线程都在执行某个方法的代码，即当前线程的当前方法，若非native方法，pc会记录当前执行指令地址，native方法则为undefined
  3. Java Virtual Machine Stack
    每个JVM线程启动时都会创建有一个私有的JVM栈, JVM栈类似于C语言栈, 每调用一个方法就会创建一个栈帧(frames), 栈帧主要分为局部变量区、操作数栈; JVM栈允许设置大小xss; 若线程需求的内存超过JVM栈允许的大小抛出StackOverflowError(方法调用栈太深，超过栈的允许范围), 若JVM栈能够动态扩展，但没有足够的内存完成JVM栈的扩展，或者启动新线程时没有足够的内存初始化JVM栈, 抛出OutOfMemoryError(栈无法分配或无法扩展);
  4. Heap
    堆由所有JVM线程共享，用于创建类实例和数组对象，堆内存的释放由gc(garbage collector)处理; JVM 允许调整堆内存大小;
  5. Method Area
    方法区由所有JVM线程共享, 用于存储运行时常量池，静态字段、静态方法，方法代码数据; 逻辑上属于堆的一部分, 但规范不限制方法区的位置以及管理方法区内存的方式; JVM允许设置方法区的大小;
  6. Run-Time Constant Pool
    常量池是每个类或者接口常量池表在运行时的内存体现, 包含编译时就知道的字面值、运行时需要的字段引用，类似于传统语言的符号引用,但比这个更为宽泛; 常量池从方法区中分配内存, 当JVM创建class或者interface时创建对应的常量池;
  7. Native Method Stacks

快速平方根倒数算法

  1. IEEE754
    32位float格式：
符号 指数(8) 有效数字(23)
0 01111100 01000000000000000000000 
1
x = (-1)^Si·(1+m)·2^(E-B)

Si: Sign 符号位
m: Mantissa 有效数字的尾数, m∈[0, 1), m = 2^(-2) = 0.250
E: Exponent 偏移处理后的指数, E=124
B: 偏移量, 为了能表示[-127, 128]的指数, B=127
所以x = (1+0.250)·2^(-3) = 0.15625

  1. code:

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    float Q_rsqrt( float number )
    {
        long i;
        float x2, y;
        const float threehalfs = 1.5F;
        x2 = number * 0.5F;
        y  = number;
        i  = * ( long * ) &y;                       // evil floating point bit level hacking（对浮点数的邪恶位元hack）
        i  = 0x5f3759df - ( i >> 1 );               // what the fuck?（这他妈的是怎么回事？）
        y  = * ( float * ) &i;
        y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) );   // 1st iteration （第一次迭代）
        //y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) );   // 2nd iteration, this can be removed（第二次迭代，可以删除）
        return y;
    }

  2. explaination:
    思路: 先求取近似值，然后再用牛顿迭代提高精度
    证明:
    [https://zh.wikipedia.org/wiki/平方根倒数速算法]

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