JVM笔记编译期间处理和类加载流程及优化

本章了解源代码到字节码的过程中编译器对源码做了那些优化处理？
字节码要经过类加载器的加载，了解各种类加载器以及类加载的各个阶段
类加载器将字节码加载到JVM中就可以执行程序了，执行程序主要依靠执行引擎提供的解释器进行解释执行
与此同时，在解释执行的过程中还会对一些热点代码进行进一步的编译处理

学习本章前需了解 java的类文件结构以及字节码相关知识

1 编译期处理（语法糖）

所谓的 语法糖 ，其实就是指 javac 编译器把 .java 源码编译为 .class 字节码的过程中，自动生成和转换 的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java 编译器给我们的一个额外福利（给糖吃嘛）

注意，以下代码的分析，借助了 javap 工具，idea 的反编译功能，idea 插件 jclasslib 等工具。另外，编译器转换的结果直接就是 class 字节码（所谓真正的字节码只能时二进制形式的），只是为了便于阅读，给出了几乎等价的 java 源码方式，并不是编译器还会转换出中间的 java 源码，切记

1.1 默认构造器

public class Candy1 {
}

编译成class后的代码：

public class Candy1 {
    // 这个无参构造是编译器帮助我们加上的
    public Candy1() {
        super(); // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object."<init>":()V
    }
}

1.2 自动拆装箱

这个特性是 JDK 5 开始加入的，代码片段1 ：

public class Candy2 {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = 1;
        int y = x;
    }
}

这段代码在 JDK 5 之前是无法编译通过的，必须改写为代码片段2 :

public class Candy2 {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = Integer.valueOf(1);
        int y = x.intValue();
    }
}

显然之前版本的代码太麻烦了，需要在基本类型和包装类型之间来回转换（尤其是集合类中操作的都是包装类型），因此这些转换的事情在 JDK 5 以后都由编译器在编译阶段完成。即代码片段1 都会在编译阶段被转换为代码片段2

1.3 泛型集合取值

泛型也是在 JDK 5 开始加入的特性，但 java 在编译泛型代码后会执行泛型擦除的动作，即泛型信息在编译为字节码之后就丢失了，实际的类型都当做了 Object 类型来处理：

public class Candy3 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(10); // 实际调用的是 List.add(Object e)
        Integer x = list.get(0); // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);
    }
}

即底层加入元素会不管什么类型，统一调用add(Object o )方法，而取出时也是 get(Object o)只是，取出时会检查类型，给他加上类型信息（强制类型转换：checkcast）

所以在取值时，编译器真正生成的字节码中，还要额外做一个类型转换的操作：

// 需要将 Object 转为 Integer
Integer x = (Integer)list.get(0);

如果前面的 x 变量类型修改为 int 基本类型那么最终生成的字节码是：

// 需要将 Object 转为 Integer, 并执行拆箱操作
int x = ((Integer)list.get(0)).intValue();

还好这些麻烦事都不用自己做。

擦除的是字节码上的泛型信息，可以看到 LocalVariableTypeTable 仍然保留了方法参数泛型的信息

public cn.itcast.jvm.t3.candy.Candy3();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
        stack=1, locals=1, args_size=1
            0: aload_0
            1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
            4: return
        LineNumberTable:
            line 6: 0
        LocalVariableTable:
            Start Length Slot Name Signature
            0 5 0 this Lcn/itcast/jvm/t3/candy/Candy3;
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=2, locals=3, args_size=1
            0: new #2 // class java/util/ArrayList
            3: dup
            4: invokespecial #3 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
            7: astore_1
            8: aload_1
            9: bipush 10
            11: invokestatic #4 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
            14: invokeinterface #5, 2 // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
            19: pop
            20: aload_1
            21: iconst_0
            22: invokeinterface #6, 2 // InterfaceMethodjava/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
            27: checkcast #7 // class java/lang/Integer
            30: astore_2
            31: return
        LineNumberTable:
            line 8: 0
            line 9: 8
            line 10: 20
            line 11: 31
        LocalVariableTable:
            Start Length 	Slot 	Name 	Signature
            0 		32 		0 		args 	[Ljava/lang/String;
            8 		24 		1 		list 	Ljava/util/List;
        LocalVariableTypeTable:
            Start Length 	Slot 	Name 	Signature
            8 		24	 	1 		list 	Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;

使用反射，仍然能够获得这些信息：

注意只有方法的参数以及 返回值上带了泛型信息，我们才能拿到

public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {
}

Method test = Candy3.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
Type[] types = test.getGenericParameterTypes();
for (Type type : types) {
    if (type instanceof ParameterizedType) {
        ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;
        System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType());
        Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
        for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {
            System.out.printf("泛型参数[%d] - %s\n", i, arguments[i]);
        }
    }
}

1.4 可变参数

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性：

可编程参数一般时利用数组实现

例如：

public class Candy4 {
    public static void foo(String... args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }
    public static void main(String[] args) {
        foo("hello", "world");
    }
}

可变参数 String… args 其实是一个 String[] args ，从代码中的赋值语句中就可以看出来。

同样 java 编译器会在编译期间将上述代码变换为：

public class Candy4 {
    public static void foo(String[] args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }
    public static void main(String[] args) {
        foo(new String[]{"hello", "world"});
    }
}

如果调用了 foo() 则等价代码为 foo(new String[]{}) ，创建了一个空的数组，而不会传递null 进去

1.5 for each 循环

仍是 JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环

public class Candy5_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5}; // 数组赋初值的简化写法也是语法糖哦
        for (int e : array) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

public class Candy5_1 {
    public Candy5_1() {
    }
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};  // 语法糖1
        for(int i = 0; i < array.length; ++i) {  // 语法糖2
            int e = array[i];
            System.out.println(e);
        }
    }
}

而集合的循环：

public class Candy5_2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
        for (Integer i : list) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

实际被编译器转换为对迭代器的调用：

public class Candy5_2 {
    public Candy5_2() {
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Iterator iter = list.iterator();
        while(iter.hasNext()) {
            Integer e = (Integer)iter.next();
            System.out.println(e);
        }
    }
}

注意

foreach 循环写法，能够配合数组，以及所有实现了 Iterable 接口的集合类一起使用，其中 Iterable 用来获取集合的迭代器（ Iterator ）

1.6 switch 字符串

从 JDK 7 开始，switch 可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖，例如：

public class Candy6_1 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

注意

switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为null，原因分析完语法糖转换后的代码应当自然清楚

会被编译器转换为：

public class Candy6_1 {
    public Candy6_1() {
    }
    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch(str.hashCode()) {
            case 99162322: // hello 的 hashCode
                if (str.equals("hello")) {
                    x = 0;
                }
                break;
            case 113318802: // world 的 hashCode
                if (str.equals("world")) {
                    x = 1;
                }
        }
        switch(x) {
            case 0:
                System.out.println("h");
                break;
            case 1:
                System.out.println("w");
        }
    }
}

可以看到，执行了两遍 switch，第一遍是根据字符串的 hashCode 和 equals 将字符串的转换为相应byte 类型，第二遍才是利用 byte 执行进行比较。

为什么第一遍时必须既比较 hashCode，又利用 equals 比较呢？hashCode 是为了提高效率，减少可能的比较；而 equals 是为了防止 hashCode 冲突，例如 BM 和 C. 这两个字符串的hashCode值都是2123 ，

1.7 switch 枚举

switch 枚举的例子，原始代码：

enum Sex {
    MALE, FEMALE
}

public class Candy7 {
    public static void foo(Sex sex) {
        switch (sex) {
            case MALE:
                System.out.println("男"); break;
            case FEMALE:
                System.out.println("女"); break;
        }
    }
}

转换后代码：

public class Candy7 {
    
/**
* 定义一个 静态内部类 合成类（仅 jvm 使用，对我们不可见）
* 内部定义一个整数数组 ，其个数与枚举种类数一致   数组 小标 对应 枚举类下表
* 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系
* 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始
* 即 MALE 的 ordinal()=0，FEMALE 的 ordinal()=1
*/
    static class $MAP {
        // 数组大小即为枚举元素个数，里面存储case用来对比的数字
        static int[] map = new int[2];
        static {
            map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;
            map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2;
        }
    }
    public static void foo(Sex sex) {
        int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
        switch (x) {
            case 1:
                System.out.println("男");
                break;
            case 2:
                System.out.println("女");
                break;
        }
    }
}

1.8 枚举类

JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例：

enum Sex {
    MALE, FEMALE
}

转换后代码

public final class Sex extends Enum<Sex> {
    public static final Sex MALE;
    public static final Sex FEMALE;
    private static final Sex[] $VALUES;
    static {
        MALE = new Sex("MALE", 0);
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
    }
    /**
* Sole constructor. Programmers cannot invoke this constructor.
* It is for use by code emitted by the compiler in response to
* enum type declarations.
*
* @param name - The name of this enum constant, which is the identifier
* used to declare it.
* @param ordinal - The ordinal of this enumeration constant (its position
* in the enum declaration, where the initial constant is
assigned
*/
    private Sex(String name, int ordinal) {
        super(name, ordinal);
    }
    public static Sex[] values() {
        return $VALUES.clone();
    }
    public static Sex valueOf(String name) {
        return Enum.valueOf(Sex.class, name);
    }
}

final 修饰符
底层也是利用映射的方案

1.9 try-with-resources

JDK 7 开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法 try-with-resources：

try(资源变量 = 创建资源对象){
} catch( ) {
}

其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如 InputStream 、 OutputStream 、Connection 、 Statement 、 ResultSet 等接口都实现了 AutoCloseable ，使用 try-withresources 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮助生成关闭资源代码，例如：

public class Candy9 {
    public static void main(String[] args) {
        try(InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt")) {
            System.out.println(is);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

会被转换为：

public class Candy9 {
    public Candy9() {
    }
    public static void main(String[] args) {
        try {
            InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt");
            Throwable t = null;
            try {
                System.out.println(is);
            } catch (Throwable e1) {
                // t 是我们代码出现的异常
                t = e1;
                throw e1;
            } finally {
                // 判断了资源不为空
                if (is != null) {
                    // 如果我们代码有异常
                    if (t != null) {
                        try {
                            is.close();
                        } catch (Throwable e2) {
                            // 如果 close 出现异常，作为被压制异常添加
                            t.addSuppressed(e2);
                        }
                    } else {
                        // 如果我们代码没有异常，close 出现的异常就是最后 catch 块中的 e
                        is.close();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

为什么要设计一个 addSuppressed(Throwable e) （添加被压制异常）的方法呢？是为了防止异常信息的丢失（try块中的异常以及关闭资源的异常）（想想 try-with-resources 生成的 fianlly 中如果抛出了异常）：

public class Test6 {
    public static void main(String[] args) {
        try (MyResource resource = new MyResource()) {
            int i = 1/0;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
class MyResource implements AutoCloseable {
    public void close() throws Exception {
        throw new Exception("close 异常");
    }
}

输出：

java.lang.ArithmeticException: / by zero
    at test.Test6.main(Test6.java:7)
    Suppressed: java.lang.Exception: close 异常
        at test.MyResource.close(Test6.java:18)
        at test.Test6.main(Test6.java:6)

如以上代码所示，两个异常信息都不会丢。

1.10 方法重写时的桥接方法

我们都知道，方法重写时对返回值分两种情况：

父子类的返回值完全一致
子类返回值可以是父类返回值的子类（比较绕口，见下面的例子）

class A {
    public Number m() {
        return 1;
    }
}
class B extends A {
    @Override
    // 子类 m 方法的返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类
    public Integer m() {
        return 2;
    }
}

对于子类，java 编译器会做如下处理：

class B extends A {
    public Integer m() {
        return 2;
    }
    // 此方法才是真正重写了父类 public Number m() 方法
    // 这个合成方法发 与父类方法崇明 返回值类型也一样
    public synthetic bridge Number m() {
        // 调用 public Integer m()
        return m();
    }
}

其中桥接方法比较特殊，仅对 java 虚拟机可见，并且与原来的 public Integer m() 没有命名冲突，可以用下面反射代码来验证：

for (Method m : B.class.getDeclaredMethods()) {
    System.out.println(m);
}

会输出：

public java.lang.Integer test.candy.B.m()
public java.lang.Number test.candy.B.m()

1.11 匿名内部类

源代码：

public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok");
            }
        };
    }
}

转换后代码：

会额外生成一个类，这个类同样实现了我们要实现的接口

并把我们原本匿名内部类的地方混成这个类

// 额外生成的类
final class Candy11$1 implements Runnable {
    Candy11$1() {
    }
    public void run() {
        System.out.println("ok");
    }
}

public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Candy11$1();
    }
}

如果引用局部变量的匿名内部类，源代码：

public class Candy11 {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok:" + x);
            }
        };
    }
}

转换后代码：

在新生生成类的构造方法生增加了一个构造参数，这个参数就是对应着我们引用的值

// 额外生成的类
final class Candy11$1 implements Runnable {
    int val$x;
    Candy11$1(int x) {
        this.val$x = x;
    }
    public void run() {
        System.out.println("ok:" + this.val$x);
    }
}


public class Candy11 {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Candy11$1(x);
    }
}

注意

这同时解释了为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 final 的：

因为在创建Candy11$1 对象时，将 x 的值赋值给了 Candy11$ 1 对象的 val$x 属性，所以 x 不应该再发生变化了，如果变化，那么 valv$x 属性没有机会再跟着一起变化

2、类加载阶段

类加载从大的层面上可以分类三个阶段：加载、链接（链接和建在可能交替运行）、初始化

2.1 加载

将类的字节码载入方法区中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：
- _java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴露给 java 使用
- _super 即父类
- _fifields 即成员变量
- _methods 即方法
- _constants 即常量池
- _class_loader 即类加载器
- _vtable 虚方法表
- _itable 接口方法表
如果这个类还有父类没有加载，先加载父类
加载和链接可能是交替运行的

注意

instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 _java_mirror（java类的镜像对 Person类来说就是 Person.class ,同时堆内存中的Person.class 也指向 _java_mirror_）是存储在堆中
可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看

2.2 链接

链接阶段也可以分为三个阶段: 验证、准备、解析

验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查

如类的格式，魔术类型是不是 cofe babe

准备

为 static 变量分配空间，设置默认值（如int类型的给他准备四个字节，默认为0）

static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾（即存在方法去），从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾（即存在堆内存）
static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成（<cint>v()）
- 静态变量赋值的动作发生在类的构造方法中，而类的构造发生在初始化阶段调用的
如果 static 变量是 final 的基本类型，以及final字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用（能够确定内存中的精确地址以及内部状态）

2.3 初始化（执行<cinit>()V 初始化）

所谓初始化就是执行类的构造方法也即执行 <cinit>()V 方法的阶段

虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全

发生的时机

概括得说，类初始化是【懒惰的】

main 方法所在的类，总会被首先初始化
首次访问这个类的静态变量或静态方法时
子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
Class.forName
new 会导致初始化

不会导致类初始化的情况

访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）【因为他们在初始化之就已准备完成了】不会触发初始化
类对象.class 不会触发初始化【类加载时产生的 _mirror 镜像】
创建该类的数组不会触发初始化
类加载器的 loadClass 方法
Class.forName 的参数 2 为 false 时

实验

class A {
    static int a = 0;
    static {
        System.out.println("a init");
    }
}
class B extends A {
    final static double b = 5.0;
    static boolean c = false;
    static {
        System.out.println("b init");
    }
}

验证（实验时请先全部注释，每次只执行其中一个）

public class Load3 {
    static {
        System.out.println("main init");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
        System.out.println(B.b);
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
        System.out.println(B.class);
        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化
        System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        cl.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.B");
        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B", false, c2);
        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
        System.out.println(A.a);
        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
        System.out.println(B.c);
        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
        System.out.println(B.a);
        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B");
    }
}

2.4 练习

从字节码分析，使用 a，b，c 这三个常量是否会导致 E 初始化

public class Load4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(E.a);
        System.out.println(E.b);
        System.out.println(E.c);
    }
}
class E {
    public static final int a = 10;
    public static final String b = "hello";
    public static final Integer c = 20;
}

a和b不会导致E初始化

而c会，因为 c时包装类型底层会调用包装操作 Integer.valueOf()会推迟到初试化阶段才执行

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    // 内部类中保存单例
    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 第一次调用 getInstance 方法，才会导致内部类加载和初始化其静态成员
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是：

懒惰实例化
初始化时的线程安全是有保障的（类加载器保障线程安全）

3、类加载器（重要）

一个非数组类的加载阶段（加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，这一步我们可以去完成还可以自定义类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的 loadClass() 方法）。数组类型不通过类加载器创建，它由 Java 虚拟机直接创建。

类加载器，有一定层级关系

以 JDK 8 为例：

名称	加载哪的类	说明
Bootstrap ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib	无法直接访问
Extension ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib/ext	上级为 Bootstrap，显示为 null
Application ClassLoader	classpath	上级为 Extension
自定义类加载器	自定义	上级为 Application

当一个类加载器加载一个类时，会首先问上级有没有加载过这个类，如果没有在想上报，如果都没有加载过，这一级类加载器才轮的上加载。这也叫做双亲委派机制

3.1 启动类加载器

用 Bootstrap 类加载器加载类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class F {
    static {
        System.out.println("F init");
    }
}

执行

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class Load5_1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:.cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
F init
null  // null 起始就是表示它是由启动类加载器 完成的 （java不能直接访问Bootstrap ClassLoader 因为他是C++编写的）

-Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath
其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后
可以用这个办法替换核心类
- java -Xbootclasspath:<new bootclasspath>
- java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
- java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

3.2 扩展类加载器

用来加载 JAVA_HOME/jre/lib/ext 下的类，如果你将自己编写的类放在这里面，会发现类加载器时扩展类加载器

否则就是 Application ClassLoader

3.3 双亲委派模式

每一个类都有一个对应它的类加载器。系统中的 ClassLoder 在协同工作的时候会默认使用 双亲委派模型 。

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则

具体规则是

即在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。
- 已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。
加载的时候，首先会把该请求委派该父类加载器的 loadClass() 处理，
- 因此所有的请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。当父类加载器无法处理时，才由自己来处理。
- 当父类加载器为null时，会使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 作为父类加载器
- null并不代表 ExtClassLoader 没有父类加载器，而是BootstrapClassLoader 。

注意

这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

下面是 ClassLoader.loadClass的源码

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派Bootstrap
                    BootstrapClassLoader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);
                // 5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

例如：

public class Load5_3 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Load5_3.class.getClassLoader()
            .loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.H");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

执行流程为：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader //1 处，开始查看已加载的类，结果没有
sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 2 处，委派上级sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.loadClass()
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 1 处，查看已加载的类，结果没有
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 3 处，没有上级了，则委派 BootstrapClassLoader查找
BootstrapClassLoader 是在 JAVA_HOME/jre/lib 下找 H 这个类，显然没有
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 4 处，调用自己的 findClass 方法，是在JAVA_HOME/jre/lib/ext 下找H 这个类，显然没有，回到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader的 // 2 处
继续执行到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 4 处，调用它自己的 findClass 方法，在classpath 下查找，找到了

双亲委派模型的好处

双亲委派模型保证了Java程序的稳定运行，可以避免类的重复加载（JVM 区分不同类的方式不仅仅根据类名，相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类），也保证了 Java 的核心 API 不被篡改。如果没有使用双亲委派模型，而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题，比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话，那么程序运行的时候，系统就会出现多个不同的 Object 类。

如果我们不想用双亲委派模型怎么办？

为了避免双亲委托机制，我们可以自己定义一个类加载器，然后重写 loadClass() 即可。除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自 java.lang.ClassLoader 。如果我们要自定义自己的类加载器，很明显需要继承 ClassLoader 。

3.4 线程上下文类加载器(本质：应用程序类加载器)

我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，你知道是怎么做的吗？

让我们追踪一下源码：

public class DriverManager {
    // 注册驱动的集合
    private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers
        = new CopyOnWriteArrayList<>();
    // 初始化驱动
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }

先不看别的，看看 DriverManager 的类加载器：

System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());

打印 null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 JAVA_HOME/jre/lib 下搜索类，但 JAVA_HOME/jre/lib 下显然没有 mysql-connector-java-5.1.47.jar 包，这样问题来了，在DriverManager 的静态代码块中，怎么能正确加载 com.mysql.jdbc.Driver 呢？

继续看 loadInitialDrivers() 方法：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception ex) {
        drivers = null;
    }
    // 1）使用 ServiceLoader 机制加载驱动，即 SPI
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers =
                ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try{
                while(driversIterator.hasNext()) {
                    driversIterator.next();
                }
            } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
            }
            return null;
        }
    });
    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
    // 2）使用 jdbc.drivers 定义的驱动名加载驱动
    if (drivers == null || drivers.equals("")) {
        return;
    }
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:" + driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) {
        try {
            println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
            // 这里的 ClassLoader.getSystemClassLoader() 就是应用程序类加载器APPClassLoader
            Class.forName(aDriver, true,
                          ClassLoader.getSystemClassLoader());
        } catch (Exception ex) {
            println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
        }
    }
}

先看 2）发现它最后是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，因此可以顺利完成类加载

再看 1）它就是大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称

只要按照这种形式就能正常加载sql的类实例

这体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

JDBC
Servlet 初始化器
Spring 容器
Dubbo（对 SPI 进行了扩展）

接着看 ServiceLoader.load 方法：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    // 获取线程上下文类加载器
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器，它内部又是由Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在 ServiceLoader 的内部类LazyIterator 中：

private S nextService() {
    if (!hasNextService())
        throw new NoSuchElementException();
    String cn = nextName;
    nextName = null;
    Class<?> c = null;
    try {
        c = Class.forName(cn, false, loader);
    } catch (ClassNotFoundException x) {
        fail(service,
             "Provider " + cn + " not found");
    }
    if (!service.isAssignableFrom(c)) {
        fail(service,
             "Provider " + cn + " not a subtype");
    }
    try {
        S p = service.cast(c.newInstance());
        providers.put(cn, p);
        return p;
    } catch (Throwable x) {
        fail(service,
             "Provider " + cn + " could not be instantiated",
             x);
    }
    throw new Error(); // This cannot happen
}

3.5 自定义类加载器

什么时候需要自定义类加载器?

1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件

2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计

3）这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤：

继承 ClassLoader 父类
要遵从双亲委派机制，重写 fifindClass 方法注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制
读取类文件的字节码
调用父类的 defifineClass 方法来加载类
使用者调用该类加载器的 loadClass 方法

eg：

public class Load7 {
    public static void main(String[ ]args) {
        // 测试 准备两个类文件 HapImpl1 HapImpl1
        MyclassLoader classLoader = new Myclassloader();
		class<?> c1 = classLoader.loadclass( name: "HapImpl1");
        class<?> c2 =classLoader.loadclass( name:"HapImpl1");
        system.out.println(c1 == c2);
        //返回true 只会加载一次
        
        
		MyClassLoader classLoader2 = new MyclassLoader();
		class<?> c3 = classLoader2.loadclass( name: "MapImpl1");system.out.println(c1 == c3);
        
        // 用不用的类加载器 
        // 答案是 false；虽然同一个类文件，但是类加载器不同所以最终得到的对象不同
        // 不同类加载器加载的对象相互隔离

    }     
}        




class MyclassLoader extends classLoader(){
        @Override //name就是类名称
        protected class<?> findclass(String name) throws ClassNotFoundException {
            string path = "e: \\myclasspath\\" + name + ".class";
            try {
                ByteArrayoutputstream os = new ByteArrayoutputstream();

                Files.copy(Paths.get(path),os);


                // 得到字节数组
                byte[] bytes = os.toByteArray();
                // byte[] -> *.class
                return defineclass(name, bytes, 0,  bytes.length);

            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException("类文件未找到", e)
            }
        }
    
}

4、运行期优化

4.1 即时编译(Just-in-time compilation)

分层编译

（TieredCompilation）

先来个例子

public class JIT1 {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {  // 计时统计
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) { //循环常见1000个对象
                new Object();
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\n",i,(end - start));
        }
    }
}

会发现越到后面（60次，150次左右），每一轮的运行时长突然变短

原因是什么呢？

JVM 将执行状态分成了 5 个层次：
- 0 层，解释执行（Interpreter）
- 1 层，使用 C1 即时编译器编译(C1 JIT)执行（不带 profifiling）
- 2 层，使用 C1 即时编译器编译(C1 JIT)执行（带基本的 profifiling）
- 3 层，使用 C1 即时编译器编译(C2 JIT)执行（带完全的 profifiling）
- 4 层，使用 C2 即时编译器编译(C2 JIT)执行

profifiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的回边次数】等

即时编译器（JIT）与解释器的区别

解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
JIT 是将一些字节码编译为机器码，并存入 Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
JIT 会根据平台类型，生成平台特定的机器码

对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由来），优化之

刚才的一种优化手段称之为【逃逸分析】，发现新建的对象是否逃逸(即 new Object()这个操作,如果发现没人用就不创建了,而用另一种方式代替)。可以使用 -XX:-DoEscapeAnalysis 关闭逃逸分析，再运行刚才的示例观察结果,发现没法进入c2哪个优化阶段了

参考资料：https://docs.oracle.com/en/java/javase/12/vm/java-hotspot-virtual-machineperformance-enhancements.html#GUID-D2E3DC58-D18B-4A6C-8167-4A1DFB4888E4

方法内联

（Inlining）

private static int square(final int i) {
    return i * i;
}

System.out.println(square(9));

如果发现 square 是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联，所谓的内联就是把方法内代码拷贝、粘贴到调用者的位置：

变成:

System.out.println(9 * 9);

还能够进行常量折叠（constant folding）的优化

System.out.println(81);

实验

public class JIT2 {
    // -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining （解锁隐藏参数）打印inlining 信息
        // -XX:CompileCommand=dontinline,*JIT2.square 禁止某个方法 inlining
        // -XX:+PrintCompilation 打印编译信息
        public static void main(String[] args) {
        int x = 0;
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                x = square(9);
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\t%d\n",i,x,(end - start));
        }
    }
    private static int square(final int i) {
        return i * i;
    }
}

字段优化

JMH 基准测试请参考：http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/

创建 maven 工程，添加依赖如下

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
    <artifactId>jmh-core</artifactId>
    <version>${jmh.version}</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
    <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>
    <version>${jmh.version}</version>
    <scope>provided</scope>
</dependency>

编写基准测试代码：

package test;
import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
@Warmup(iterations = 2, time = 1)
@Measurement(iterations = 5, time = 1)
@State(Scope.Benchmark)
public class Benchmark1 {
    int[] elements = randomInts(1_000);
    private static int[] randomInts(int size) {
        Random random = ThreadLocalRandom.current();
        int[] values = new int[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            values[i] = random.nextInt();
        }
        return values;
    }
    @Benchmark
    public void test1() {
        for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
            doSum(elements[i]);
        }
    }
    @Benchmark
    public void test2() {
        int[] local = this.elements;
        for (int i = 0; i < local.length; i++) {
            doSum(local[i]);
        }
    }
    @Benchmark
    public void test3() {
        for (int element : elements) {
            doSum(element);
        }
    }
    static int sum = 0;
    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.INLINE)
    static void doSum(int x) {
        sum += x;
    }
    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
            .include(Benchmark1.class.getSimpleName())
            .forks(1)
            .build();
        new Runner(opt).run();
    }
}

首先启用 doSum 的方法内联，测试结果如下（每秒吞吐量，分数越高的更好）：

Benchmark     		Mode    Samples   Score 		Score error     Units
t.Benchmark1.test1   thrpt     5     2420286.539  	390747.467  	ops/s
t.Benchmark1.test2   thrpt     5     2544313.594  	91304.136   	ops/s
t.Benchmark1.test3   thrpt     5     2469176.697  	450570.647  	ops/s

接下来禁用 doSum 方法内联

@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
static void doSum(int x) {
    sum += x;
}

结果

Benchmark 				Mode 		Samples 	Score 		Score error 	Units
t.Benchmark1.test1 		thrpt 		5 			296141.478 	63649.220 		ops/s
t.Benchmark1.test2 		thrpt 		5 			371262.351 	83890.984 		ops/s
t.Benchmark1.test3 		thrpt 		5 			368960.847 	60163.391 		ops/s

分析：

在刚才的示例中，doSum 方法是否内联会影响 elements 成员变量读取的优化：

如果 doSum 方法内联了，刚才的 test1 方法会被优化成下面的样子（伪代码）：

@Benchmark
public void test1() {
    // elements.length 首次读取会缓存起来 -> int[] local
    for (int i = 0; i < elements.length; i++) { // 后续 999 次 求长度 <- local
        sum += elements[i]; // 1000 次取下标 i 的元素 <- local
    }
}

可以节省 1999 次 Field 读取操作

但如果 doSum 方法没有内联，则不会进行上面的优化

4.2 反射优化

package cn.itcast.jvm.t3.reflect;
import java.io.IOException;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class Reflect1 {
    public static void foo() {
        System.out.println("foo...");
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Method foo = Reflect1.class.getMethod("foo");
        for (int i = 0; i <= 16; i++) {
            System.out.printf("%d\t", i);
            foo.invoke(null);
        }
        System.in.read();
    }
}

foo.invoke 前面 0 ~ 15 次调用使用的是 MethodAccessor 的 NativeMethodAccessorImpl 实现

package sun.reflect;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

import java.lang.reflect.Method;
import sun.reflect.misc.ReflectUtil;
class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
    private final Method method;
    private DelegatingMethodAccessorImpl parent;
    private int numInvocations;
    NativeMethodAccessorImpl(Method method) {
        this.method = method;
    }
    public Object invoke(Object target, Object[] args)
        throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        // inflationThreshold 膨胀阈值，默认 15
        // 原来使用本地(native)方法访问器调用 效率低
        // 当达到阈值之后采用新方法ti'huan
        if (++this.numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold()
            && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.method.getDeclaringClass()))
        {
            // 使用 ASM 动态生成的新实现代替本地实现，速度较本地实现快 20 倍左右
            MethodAccessorImpl generatedMethodAccessor =
                (MethodAccessorImpl)
                (new MethodAccessorGenerator())
                .generateMethod(
                this.method.getDeclaringClass(),
                this.method.getName(),
                this.method.getParameterTypes(),
                this.method.getReturnType(),
                this.method.getExceptionTypes(),
                this.method.getModifiers()
            );
            this.parent.setDelegate(generatedMethodAccessor);
        }
        // 调用本地实现
        return invoke0(this.method, target, args);
    }
    void setParent(DelegatingMethodAccessorImpl parent) {
        this.parent = parent;
    }
    private static native Object invoke0(Method method, Object target, Object[] args);
}

当调用到第 16 次（从0开始算）时，会采用运行时生成的类代替掉最初的实现，可以通过 debug 得到类名为 sun.reflflect.GeneratedMethodAccessor1

可以使用阿里的 arthas 工具：

java -jar arthas-boot.jar
[INFO] arthas-boot version: 3.1.1
[INFO] Found existing java process, please choose one and hit RETURN.
* [1]: 13065 cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1

选择 1 回车表示分析该进程

1
[INFO] arthas home: /root/.arthas/lib/3.1.1/arthas
[INFO] Try to attach process 13065
[INFO] Attach process 13065 success.
[INFO] arthas-client connect 127.0.0.1 3658
,---. ,------. ,--------.,--. ,--. ,---. ,---.
/ O \ | .--. ''--. .--'| '--' | / O \ ' .-'
| .-. || '--'.' | | | .--. || .-. |`. `-.
| | | || |\ \ | | | | | || | | |.-' |
`--' `--'`--' '--' `--' `--' `--'`--' `--'`-----'
wiki https://alibaba.github.io/arthas
tutorials https://alibaba.github.io/arthas/arthas-tutorials
version 3.1.1
pid 13065
time 2019-06-10 12:23:54

再输入【jad + 类名】来进行反编译

$ jad sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1
    ClassLoader:
+-sun.reflect.DelegatingClassLoader@15db9742
    +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4e0e2f2a
    +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2fdb006e
    Location:
/*
* Decompiled with CFR 0_132.
*
* Could not load the following classes:
* cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1
*/
package sun.reflect;
import cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import sun.reflect.MethodAccessorImpl;
public class GeneratedMethodAccessor1
    extends MethodAccessorImpl {
    /*
* Loose catch block
* Enabled aggressive block sorting
* Enabled unnecessary exception pruning
* Enabled aggressive exception aggregation
* Lifted jumps to return sites
*/
    public Object invoke(Object object, Object[] arrobject) throws
        InvocationTargetException {
        // 比较奇葩的做法，如果有参数，那么抛非法参数异常
        block4 : {
            if (arrobject == null || arrobject.length == 0) break block4;
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        try {
            // 可以看到，已经是直接调用了😱😱😱
            Reflect1.foo();
            // 因为没有返回值
            return null;
        }
        catch (Throwable throwable) {
            throw new InvocationTargetException(throwable);
        }
        catch (ClassCastException | NullPointerException runtimeException) {
            throw new IllegalArgumentException(Object.super.toString());
        }
    }
}
Affect(row-cnt:1) cost in 1540 ms.

注意

通过查看 ReflectionFactory 源码可知

sun.reflflect.noInflflation 可以用来禁用膨胀（直接生成 GeneratedMethodAccessor1，但首次生成比较耗时，如果仅反射调用一次，不划算）

sun.reflflect.inflflationThreshold 可以修改膨胀阈值

1 编译期处理（语法糖）

1.1 默认构造器

1.2 自动拆装箱

1.3 泛型集合取值

1.4 可变参数

1.5 for each 循环

1.6 switch 字符串

1.7 switch 枚举

1.8 枚举类

1.9 try-with-resources

1.10 方法重写时的桥接方法

1.11 匿名内部类

2、类加载阶段

2.1 加载

2.2 链接

验证

准备

解析

2.3 初始化 （执行<cinit>()V 初始化）

发生的时机

2.4 练习

3、 类加载器（重要）

3.1 启动类加载器

3.2 扩展类加载器

3.3 双亲委派模式

双亲委派模型的好处

如果我们不想用双亲委派模型怎么办？

3.4 线程上下文类加载器(本质：应用程序类加载器)

3.5 自定义类加载器

4、运行期优化

4.1 即时编译(Just-in-time compilation)

分层编译

方法内联

字段优化

4.2 反射优化

2.3 初始化（执行<cinit>()V 初始化）

3、类加载器（重要）