转载JVM问题，有人能解答全吗？

 

JVM知识点题目

JVM是Java程序的运行环境，因此对于JVM的掌握有助于理解Java程序的执行以及编写，尤其是运行时碰到的一些诡异问题，那么怎么样能考察自己对于JVM关键知识点的掌握情况，帮助学习JVM机制呢，在这篇blog中来探讨下。

对于Java程序而言，JVM的关键机制有：字节码的加载、方法的执行、对象内存的分配和回收、线程和锁机制，这几个机制涉及到的jvm的知识点远没有写这几个字这么简单，里面的复杂度还是非常高的。

字节码的加载
JVM通过ClassLoader来完成字节码的动态加载，这里面涉及到的主要是ClassLoader的双亲委派、ClassLoader的编写方法、Class是否被加载的唯一标识以及Class的加载过程。
在考察的时候我觉得可以以这么两道简单的题来考察：
1、写一段将目录中指定的.class文件加载到JVM的程序，并通过Class对象获取到完整类名等信息；
2、一段展示代码，里面包含一个全局静态整型变量，问如果用两个ClassLoader加载此对象，执行这个整型变量++操作后结果会是怎么样的？

方法的执行
JVM有自己的一套指令系统，字节码中即已经是指令了，需要大概掌握了JVM对static、interface、instance、构造器采用的不同的执行方法，另外就是JVM中反射的实现（可以以Sun JDK来举例）、动态代理的实现，最后相关的就是JVM执行字节码的方式（解释、JIT、Hotspot），以及什么时候触发编译成机器码，如何控制。
在考察的时候我觉得可以以这么三道题来考察：
1、A a=new A();a.execute();和IA a=new A();a.execute();执行有什么不同；
2、反射的性能低的原因是？
3、编写一段程序，动态的创建一个接口的实现，并加载到JVM中执行；（可以允许用BCEL等工具）

对象内存的分配和回收
这块涉及的知识点也是比较的多，例如JVM内存区域的划分、自然类型和引用类型的内存分配的不同、TLAB、GC的算法、Sun JDK对于GC的实现、GC触发的时机、GC的跟踪和分析的方法。
在考察的时候我觉得可以以这么三道题来考察：
1、经典的String比较程序题：
   String a="a";
   String b="b";
   String ab="ab";
   (a+b)==ab;  ??  (引深题，如何才能让(a+b)==ab）
   ("a"+"b")==ab; ?? 
2、写一段程序，让其OutOfMemory，或频繁执行Minor GC，但又不触发Full GC，又或频繁执行Full GC，但不执行minor GC，而且不OutOfMemory，甚至可以是控制几次Minor GC后发生一次Full GC；
3、详细讲解GC的实现，例如minor GC的时候导致是怎么回收对象内存的，Full GC的时候是怎么回收对象内存的。

线程和锁机制
这块涉及的知识点仍然是非常的多，例如线程中变量的操作机制、线程调度机制、线程的状态以及控制方法、线程的跟踪和分析方法、同步关键字、lock/unlock的原理等。
在考察的时候我觉得可以以这么几道题考察下：
1、i++的执行过程；
2、一个线程需要等待另外一个线程将某变量置为true才继续执行，如何编写这段程序，或者如何控制多个线程共同启动等；
3、控制线程状态的转换的方法，或者给几个thread dump，分析下哪个线程有问题，问题出在哪；
4、static属性加锁、全局变量属性加锁、方法加锁的不同点？

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因最近一直在学习 JVM，看到 BlueDavy 的一篇文章 JVM知识点题目，于是便激起了我去解答的兴趣。 


字节码的加载 
1、写一段将目录中指定的.class文件加载到JVM的程序，并通过Class对象获取到完整类名等信息； 

      对于 ClassLoader 的加载机制、过程及双亲委派模型等这里就不详细介绍了，基本上属于老生常谈的东西了。不过不了解朋友的可以看一下该作者文章： 
深入JVM(4):关于ClassLoader的一些知识 

      先定义一个 DirectoryClassLoader继承 ClassLoader，通过加载指定的目录下的 class 文件，以下贴出该类的主要代码，完整的代码请从附件中下载。 

package it.denger.jvm.classloader;

package it.denger.jvm.classloader;

public class DirectoryClassLoader extends ClassLoader {

    protected File directory;
    protected ClassLoader parent;

    public DirectoryClassLoader(File directory, ClassLoader parent) {
        // 将父 ClassLoader 传入super，用于classloader加载时向上查找
        super(parent);
        .....
    }

    public Class<?>[] findAndLoadAllClassInDirectory(){
        // 获取当前目录中所有 class 文件的相对路径
        String[] classPaths = getAllClassRelativePathInDirectory(directory);
        List<Class<?>> classes = new ArrayList<Class<?>>(classPaths.length);
        for (String classPath : classPaths){
            try {
                // 将所有 class 文件相对路径转换为相应的包名
                // 如 it/denger/Pear.class 则转换为 it.denger.Pear
                String className = convertPathToClassName(classPath);
                // 调用父类的 loadClass，该方法实现通过向上 一级级的ClassLoader
                // 进行查找，当所有上级全部无法找到时则会调用本ClassLoader的
                // findClass 方法进行查找，也就是所谓的 “双亲委派模型”
                Class<?> classz = loadClass(className);
                if  (classes != null){
                    classes.add(classz);
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return classes.toArray(new Class<?>[0]);
    }

    // 重写父类 findClass，当所有 Parent Class Loader 无法找到类时，
    // 则会通过调用这里所该方法进行最后的查找
    protected java.lang.Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> classz = null;
        // 通过 className 获取到对应的 File 对象
        File classFile = new File(directory, convertClassNameToPath(name));
        if (classFile.exists()) {
            try {
                // 重点在这里，从 class 的文件流中加载 Class 对象
                classz = loadClassFromStream(name, new FileInputStream(classFile), (int)classFile.length());
            } catch (Exception e) {
                throw new ClassNotFoundException(String.format("Find class %s error!", name), e);
            }
        }
        .....
        return classz;
    }

    protected byte[] loadBytesFromStream(InputStream stream, int len) throws IOException{
        byte[] streamBytes = new byte[len];
        int read, off = 0;
        while(len > 0 && (read = stream.read(streamBytes, off, len)) != -1 ){
            off += read;
            len -= read;
        }
        return streamBytes;
    }

    // 通过调用父类的 defineClass 将 字节 转为 Class 对象
    protected Class<?> loadClassFromBytes(String name, byte []classBytes){
        return defineClass(name, classBytes, 0, classBytes.length);
    }

    protected Class<?> loadClassFromStream(String name, InputStream stream, int len){
        return loadClassFromBytes(name, loadBytesFromStream(stream, len));
    }
}

     OK, 接下为写个 Case 测试一把： 

public class DirectoryClassLoaderTest extends TestCase{

    protected DirectoryClassLoader directoryClassLoader;
    protected String classDirectory;

    protected void setUp() throws Exception {
        classDirectory = "/Users/denger/Workspaces/Java/backup/classes";
        directoryClassLoader = new DirectoryClassLoader(new File(classDirectory), this.getClass().getClassLoader());
    }

    public void testShouldBeLoadedAllClassFileInDirectory(){
        Class<?>[] classes = directoryClassLoader.findAndLoadAllClassInDirectory();
        assertTrue(classes.length > 0);
        for(Class<?> classz : classes){
            assertNotNull(classz);
            System.out.println("Class: " + classz.getName() + " - ClassLoader: " + classz.getClassLoader());
        }
    }

     输入结果： 
     Class: Apple - ClassLoader: it.denger.jvm.classloader.DirectoryClassLoader@3d434234 
     Class: Banana - ClassLoader: it.denger.jvm.classloader.DirectoryClassLoader@3d434234 
     Class: it.denger.Pear - ClassLoader: it.denger.jvm.classloader.DirectoryClassLoader@3d434234 
     Class: java.lang.String - ClassLoader: null 

     目录结构： 
 

     可以看出，以上目录下的"所有" class 文件均已经加载，并且所对应的 ClassLoader 都为 DirectoryClassLoader。唯独 java.lang.String 类的 ClassLoader 为 null，其原因是由于 ClassLoader 的双亲委派模型，因为 String 属于 jre 核心库，已由 BootStrap ClassLoader 加载，而 BootStrap 的加载过程是由 C 实现，所以这里自然就是空了。 

     其实这题还有另外一个更加简单的方法，就是通过 URLClassLoader 进行加载，示例代码如下： 

String classFileDirectory = "file:///Users/denger/Workspaces/Java/backup/classes/";
URLClassLoader classLoader = new URLClassLoader(new URL[]{new URL(classFileDirectory)});
System.out.println(classLoader.loadClass("it.denger.Pear"));

     不过我想以上这种通过URLClassLoader的实现这并不是作者所要考察的。 


2、一段展示代码，里面包含一个全局静态整型变量，问如果用两个ClassLoader加载此对象，执行这个整型变量++操作后结果会是怎么样的？ 
     继续使用上题的 ClassLoader 对象，修改 Apple.java为： 

 public class Apple{
    public static int count = 1;
    public static void addCount(){
        count++;
    }
    public static int getCount(){
        return count;
    }
}

     实际上，当两个ClassLoader加载此Class，并分别通过实例调用 addCount 时，其 count 是2还是3取决于分别加载的这两个 Apple Class 是否相等。 
     从 JVM加载 Class 的过程来说，对于同一包路径同名的 Class 是不会在同一ClassLoader进行重复加载的，当然，如果如这题所说，使用两个 ClassLoader 实例进行加载同一 Class ，这时候会产生两个 Class实例，原因是由于 ClassLoader 实例之间的相互隔离的。 
     以下测试用例是使用不同 ClassLoader 实例加载 Apple Class 之后并分别调用 addCount 一次： 

public void testRepeatedLoadClass() {
        DirectoryClassLoader steveDirectoryClassLoader = new DirectoryClassLoader(
                new File(classDirectory), this.getClass().getClassLoader());

        DirectoryClassLoader myDirectoryClassLoader = new DirectoryClassLoader(
                new File(classDirectory), this.getClass().getClassLoader());

        Class<?> steveApple = steveDirectoryClassLoader.loadClass("Apple");
        Class<?> myApple = myDirectoryClassLoader.loadClass("Apple");

        // 产生不同的 Apple Class 实例，原因是以上两个 ClassLoader 实例是相互隔离的，他们都并知道对方加载了哪些 Class
        assertTrue(steveApple != myApple);

        // 分别调用 addCount
        steveApple.getMethod("addCount").invoke(null);
        myApple.getMethod("addCount").invoke(null);

        // 其 count 都为2，都只是 ++ 了自己的 count
        assertTrue(Integer.parseInt(steveApple.getMethod("getCount").invoke(null).toString()) == 2);
        assertTrue(Integer.parseInt(steveApple.getMethod("getCount").invoke(null).toString()) == Integer.parseInt(myApple.getMethod("getCount").invoke(null).toString()));
    }

~ 


方法的执行 
1、A a=new A();a.execute();和 IA a=new A();a.execute();执行有什么不同； 
     
      简单的说，如果想知道方法的执行上有什么不同，那么先看一下它们的bytecode(字节码)有什么不同吧 
      Java 代码如下： 

package it.denger.jvm.code;

public class MethodExecute {

    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.execute();

        IA ia = new A();
        ia.execute();
    }
}

interface IA{
    public void execute();
}

class A implements IA{
    public void execute() {
        System.out.println("A execute call....");
    }
}

      通过 javap -c it.denger.jvm.code.MethodExecute 命令查看代码的字节码信息，其中 main 方法的字节码如下： 

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
   0:   new #2; //class it/denger/jvm/code/A
   3:   dup
   4:   invokespecial   #3; //Method it/denger/jvm/code/A."<init>":()V
   7:   astore_1
   8:   aload_1
   9:   invokevirtual   #4; //Method it/denger/jvm/code/A.execute:()V
   12:  new #2; //class it/denger/jvm/code/A
   15:  dup
   16:  invokespecial   #3; //Method it/denger/jvm/code/A."<init>":()V
   19:  astore_2
   20:  aload_2
   21:  invokeinterface #5,  1; //InterfaceMethod it/denger/jvm/code/IA.execute:()V
   26:  return
}

      对 exeucte 方法的调用主要在第 9 行和第 21行，不难看出，他们的调用所使用的指令不一样，分别为 invokevirtual(调用对象方法) 和 invokeinterface(调用接口中方法)。 
      然而以上两个指令在到底在执行时有何不同，这得从 VM 的 Spec 说起了，你可以从以下几个链接中了解个大概： 
      Java字节码invokeinterface.... invokevirtual的含义和区别 
      invokeinterface,  invokevirtual 
      What is the point of invokeinterface? 
      最后当然少不了 VM Spec 了，Sun VM Spec 


2、反射的性能低的原因是？ 
      关于这题，在 Sun 官方的 The Reflection API 明确说明了: 

引用

Because reflection involves types that are dynamically resolved, certain Java virtual machine optimizations can not be performed. Consequently, reflective operations have slower performance than their non-reflective counterparts, and should be avoided in sections of code which are called frequently in performance-sensitive applications.

      大致意思是说因为反射涉及到动态解析类型，以致于某些 jvm 不能够对其进行执行时的优化, 因此使用反射的性能低于非反射的性能..blabla... 
      上面所说的动态解析，意味着对于对象创建的过程、方法调用的过程是动态，通过动态加载字节码在 JVM 中进行执行，并且当使用 Class.forName 或 getMethod 时会执行权限校验检查以及lookup的过程，以至于这些调用操作必定将存在时间成本。 
      另外说的JVM不能进行优化，大致是说的是在对 Class 进行编译时候的优化(如在语义分析过程中会自动拆箱装箱处理)，因为编译过程中是无法知道反射代码的真正所需要做的事情, 另外也可能无法发挥 JIT 的最大优化潜力。 

      值一提的是该问题是作者在09年发出，到目前为止，JDK反射提升越来越好了，从1.6版本后基本上与非反射方法调用相差无几了。当然，最好能在反射的代码进行缓存 Class 或 Method 对象，避免重复调用 getMethod 和 Class.forName，从而减少访问检查及lookup 的过程。 
    

3、编写一段程序，动态的创建一个接口的实现，并加载到JVM中执行；（可以允许用BCEL等工具） 
      既然这里提到可以使用 BCEL 来实现接口的动态实现，那么就直接使用 BCEL 吧，顺便再复习一下 Builder 模式来进行代码的实现，将 Class 的创建与其具体的组成过程进行解耦。 
      首先定义一个 User 接口: 

package it.denger.jvm.code.bcel;

public interface IUser {

    void jump();

    void run();
}

      然后针对该接口动态类生成定义一个 Builder 接口： 

package it.denger.jvm.code.bcel;

import org.apache.bcel.generic.ClassGen;

public interface UserClassGenBuilder {

    static final String USER_CLASS_NAME = "it.denger.jvm.code.bcel.IUser";

    UserClassGenBuilder init(String className);

    UserClassGenBuilder implementJumpMethod();

    UserClassGenBuilder implementRunMethod();

    ClassGen build();
}

      对于 User 接口来说，具体实现可能有 Student、Staff等，以下以 Student 为例，定义 StudentClassGenBuilder，动态生成 Student User 及实现 jump 和 run 方法： 

public class StudentClassGenBuilder implements UserClassGenBuilder{

    protected String className;

    protected ClassGen classGen;

    public StudentClassGenBuilder init(String className) {
        this.className = className;
        classGen = new ClassGen(className, "java.lang.Object",
                "<generated>", ACC_PUBLIC | ACC_SUPER,
                new String[] { USER_CLASS_NAME });
        classGen.addEmptyConstructor(ACC_PUBLIC);

        return this;
    }

    public UserClassGenBuilder implementJumpMethod() {
        InstructionFactory instructionFactory = new InstructionFactory(classGen);
        InstructionList instructionList = new InstructionList();
        ConstantPoolGen constantPool = classGen.getConstantPool();
        MethodGen methodGen = new MethodGen(ACC_PUBLIC,
                Type.VOID, new Type[0], new String[0],
              "jump", className, instructionList, constantPool);

        instructionList.append(instructionFactory.createPrintln("I'm jump...."));
        instructionList.append(InstructionFactory.createReturn(Type.VOID));
        methodGen.setMaxStack();
        classGen.addMethod(methodGen.getMethod());
        return this;
    }

    public UserClassGenBuilder implementRunMethod() {
        InstructionFactory instructionFactory = new InstructionFactory(classGen);
        InstructionList instructionList = new InstructionList();
        ConstantPoolGen constantPool = classGen.getConstantPool();
        MethodGen methodGen = new MethodGen(ACC_PUBLIC,
                Type.VOID, new Type[0], new String[0],
              "run", className, instructionList, constantPool);

        instructionList.append(instructionFactory.createPrintln("I'm run...."));
        instructionList.append(InstructionFactory.createReturn(Type.VOID));
        methodGen.setMaxStack();
        classGen.addMethod(methodGen.getMethod());
        return this;
    }

    public ClassGen build() {
        return classGen;
    }

      可以看出以上已经完成了两个方法的实现，并返回 ClassGen 对象(用于生成具体 Class 的对象)。但该题最终是需要将动态的实现的 Class 加载至 JVM中，并调用动态实现的方法，于是以下的 UserClassGenLoader 便产生了： 

public class UserClassGenLoader {

    protected UserClassGenBuilder builder;

    public UserClassGenLoader(UserClassGenBuilder builder){
        this.builder = builder;
    }

    public Class<?> loadClass(String className) throws ClassNotFoundException, IOException{
        ClassGen classGen = this.builder.init(className)
                .implementJumpMethod().implementRunMethod().build();

        return loadClassForClassGen(classGen);
    }

    protected Class<?> loadClassForClassGen(ClassGen classGen) throws ClassNotFoundException, IOException{
        ByteArrayOutputStream arrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        classGen.getJavaClass().dump(arrayOutputStream);
        byte[] classBytes = arrayOutputStream.toByteArray();
        Map<String, byte[]> classByteMap = new HashMap<String, byte[]>();

        classByteMap.put(classGen.getClassName(), classBytes);
        ByteClassLoader byteClassLoader = new ByteClassLoader(this.getClass()
                .getClassLoader(), classByteMap);

        return byteClassLoader.loadClass(classGen.getClassName());
    }
}

      至此已经完成从动态接口实现至将其加载至 JVM 中，并获取最终的 Class 对象，最后写一个 TestCase 测试一把： 

public void testShouldBeLoadStudentNewInstance() {
        try {
            Class<?> studentClass = new UserClassGenLoader(new StudentClassGenBuilder())
                    .loadClass("it.denger.jvm.code.bcel.Student");

            IUser studentUser = (IUser) studentClass.newInstance();
            assertNotNull(studentUser);
            assertEquals(studentUser.getClass().getName(), "it.denger.jvm.code.bcel.Student");

            studentUser.jump();
            studentUser.run();
        } catch (Exception e) {
            fail(e.getMessage());
        }
    }
}

      运行之后显示绿条，并在控制台输出了： 
      I'm jump.... 
      I'm run.... 
      OK, 至此已经完成本题的所有要求。虽然这里只是简单的实现两个无参、无返回值并且只是 println 输出，但是 BCEL 能做的远远不止这些，理论上来说只要你能手写出的代码基本上都能通过其 API 来动态生成字节码。P.S: 上面代码没写什么注释不过其代码看上去应该比较好懂，有什么可以提出. 
~ 
    

如果对于以上我个人的分析和理解与你有什么偏差的话，希望能提出一起讨论，另外关于后面两大部分题，现在还在 writing 中，将在近期发出。