01 Java虚拟机基本原理

01 | Java代码是怎么运行的？

虚拟机视角: 把由 Java 代码编译成的 class 文件加载到 Java虚拟机中，加载后的 Java类会被存放于方法区(Method Area)中，实际运行时Java虚拟机会执行方法区中的代码
- Java虚拟机在内存中划分堆和栈来存储运行时数据
- Java虚拟机将栈细分为面向Java方法的Java方法栈、面向本地方法(C++编写的native方法)的本地方法栈、以及存放各个线程执行位置的 PC寄存器
- 每当调用进入一个Java方法，Java虚拟机会在当前线程的Java方法栈中生成一个栈帧，用于存放局部变量以及字节码的操作数。当退出当前执行的方法时，无论正常返回或者异常返回，Java虚拟机都会弹出当前线程的当前栈帧并抛弃
- 栈帧的大小是提前计算好的，并且 Java虚拟机并不要求栈帧在内存空间里连续分布
硬件视角: Java字节码无法直接执行，Java虚拟机需要将字节码翻译成机器码
- 翻译过程的两种形式:
  1. 解释执行: 逐条将字节码编译成机器码并执行
  2. 即时编译(Just-In-Time，JIT): 将一个方法中包含的所有字节码编译成机器吗后再执行
- 解释执行的优势在于无需等待编译，即时编译的优势在于实际运行速度更快。HotSpot默认采用混合编译，先解释执行字节码，然后将其中反复执行的热点代码以方法为单位进行即时编译

即时编译建立在程序符合二八定律的假设上，即百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源
引入多个编译器: 在编译时间和生成代码的执行效率之间进行取舍，满足不同用户场景的需求
编译器:
- C1: Client编译器，面向对启动性能有要求的客户端GUI程序，采用的优化手段相对简单，编译时间较短
- C2: Server编译器，面向对峰值性能有要求的服务器端程序，采用的优化手段相对复杂，编译时间较长，但生成的代码执行效率较高
分层编译: Java7 开始 HotSpot 默认采用的编译方式，热点方法首先会被C1编译，而后热点方法中的热点会进一步被C2编译
HotSpot 的即时编译放在额外的编译线程中进行，以免干扰应用的正常运行。HotSpot 会根据CPU的数量设置编译线程的数目，按照1:2的比例配置给C1和C2编译器
计算资源充足的情况下，字节码的解释执行和即时编译可同时进行，编译完成后的机器码会在下次调用该方法时启用，替换原本的解释执行

Java的基本类型:
- byte、short、int、long、float、double 的值域依次扩大，前面的值域被后面的值域所包含，因此前面的基本类型转换至后面的基本类型，无需强制转换，默认值看起来不相同，但在内存中均为0
- boolean、char 是唯二的无符号类型，在不考虑违反规范的情况下，boolean的取值范围是0或1，char类型的取值范围是[0，65535]，通常可以认为char类型的值为非负数(用途: 可以作为数组索引等)

解释器使用的解释栈帧(interpreted frame): 有主要的两个组成部分，分别是局部变量区、字节码的操作数栈
在Java虚拟机规范中，局部变量区等价于一个数组，并且可以使用正整数来索引，除了long、double类型需要使用两个数组单元来存储之外，其他基本类型以及引用类型的值均占用一个数组单元，即boolean、byte、char、short四种类型在栈上占用的空间和int是一样的，和引用类型也是一样的(32位HotSpot虚拟机: 占用4个字节，64位HotSpot虚拟机: 占用8个字节)，这种情况仅存在于局部变量区，而不会出现在存储于堆中的字段或者数组元素上
在堆上，byte、char、short三种类型的字段或者数组单元在堆上占用的空间分别为1字节、2字节、2字节，与这些类型的值域相吻合
在HotSpot中，boolean字段占用1字节，boolean数组直接使用byte数组来实现