深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）（310333）

根据新版JDK全面升级，新增内容近50%，原创计算机图书丰碑，5个维度全面剖析JVM。 这是一部从工作原理和工程实践两个维度深入剖析JVM的著作，是计算机领域公认的经典，繁体版在台湾也颇受欢迎。 自2011年上市以来，前两个版本累计印刷36次，销量超过30万册，两家主要网络书店的评论近90000条，内容上近乎零差评，是原创计算机图书领域不可逾越的丰碑。 第3版在第2版的基础上做了重大修订，内容更丰富、实战性更强：根据新版JDK对内容进行了全方位的修订和升级，围绕新技术和生产实践新增逾10万字，包含近50%的全新内容，并对第2版中含糊、瑕疵和错误内容进行了修正。 全书一共13章，分为五大部分： 第一部分（第1章）走近Java 系统介绍了Java的技术体系、发展历程、虚拟机家族，以及动手编译JDK，了解这部分内容能对学习JVM提供良好的指引。 第二部分（第2~5章）自动内存管理 详细讲解了Java的内存区域与内存溢出、垃圾收集器与内存分配策略、虚拟机性能监控与故障排除等与自动内存管理相关的内容，以及10余个经典的性能优化案例和优化方法； 第三部分（第6~9章）虚拟机执行子系统 深入分析了虚拟机执行子系统，包括类文件结构、虚拟机类加载机制、虚拟机字节码执行引擎，以及多个类加载及其执行子系统的实战案例； 第四部分（第10~11章）程序编译与代码优化 详细讲解了程序的前、后端编译与优化，包括前端的易用性优化措施，如泛型、主动装箱拆箱、条件编译等的内容的深入分析；以及后端的性能优化措施，如虚拟机的热点探测方法、HotSpot 的即时编译器、提前编译器，以及各种常见的编译期优化技术； 第五部分（第12~13章）高效并发 主要讲解了Java实现高并发的原理，包括Java的内存模型、线程与协程，以及线程安全和锁优化。 全书以实战为导向，通过大量与实际生产环境相结合的案例分析和展示了解决各种Java技术难题的方案和技巧。

周志明（博士） 资深Java技术专家-机器学习技术专家和企业级开发技术专家，现任远光软件研究院院长。 开源技术的积极倡导者和推动者，对计算机科学相关的多个领域都有深刻的见解，尤其是人工智能-Java技术和敏捷开发等，对虚拟机技术有非常深入的研究。 撰写了《深入理解Java虚拟机》《深入理解OSGi》《智慧的疆界》等多本著作，翻译了《Java虚拟机规范》等著作。其中《深入理解Java虚拟机》已累计印刷逾40次，总销超过30万册，成为原创计算机专业图书领域难以逾越的丰碑。

（1）这本书值得所有Java技术人员读3遍，值得Java技术人员读3遍，值得读3遍！ （2）根据JDK12和JDK 13 EA版本全面更新，新增内容近50%，并对第2版中含糊、瑕疵和错误内容进行了修正。 （3）计算机图书领域的丰碑，前两版累计印刷36次，销量超过30万册，两家网店评论数量超过90000条，内容近乎零差评。 （4）从Java技术体系、自动内存管理、虚拟机执行子系统、程序编译与代码优化、高效并发5个维度全面分析JVM。 （5）全书以实战为导向，通过大量与实际生产环境相结合的案例分析和展示了解决各种Java技术难题的方案和技巧。 （6）来自阿里、腾讯、微软、百度、滴滴、易宝支付、同盾科技、达观数据、易观国际、蘑菇街的10位专家高度评价并强烈推荐。

前言 Java是目前用户最多、使用范围最广的软件开发技术，Java的技术体系主要由支撑Java程序运行的虚拟机、提供各开发领域接口支持的Java类库、Java编程语言及许许多多的第三方Java框架（如Spring、MyBatis等）构成。在国内，有关Java类库API、Java语言语法及第三方框架的技术资料和书籍非常丰富，相比而言，有关Java虚拟机的资料却显得异常贫乏。 这种状况很大程度上是由Java开发技术本身的一个重要优点导致的：在虚拟机层面隐藏了底层技术的复杂性以及机器与操作系统的差异性。运行程序的物理机千差万别，而Java虚拟机则在千差万别的物理机上面建立了统一的运行平台，实现了在任意一台Java虚拟机上编译的程序，都能在任何其他Java虚拟机上正常运行。这一极大的优势使得Java应用的开发比传统C/C++应用的开发更高效快捷，程序员可以把主要精力放在具体业务逻辑，而不是放在保障物理硬件的兼容性上。通常情况下，一个程序员只要了解了必要的Java类库API、Java语法，学习适当的第三方开发框架，就已经基本满足日常开发的需要了。虚拟机会在用户不知不觉中完成对硬件平台的兼容及对内存等资源的管理工作。因此，了解虚拟机的运作并不是普通开发人员必备的，或者说首要学习的知识。 然而，凡事都具备两面性。随着Java技术的不断发展，它已被应用于越来越多的领域之中。其中一些领域，如互联网、能源、金融、通信等，对程序的性能、稳定性和扩展性方面会有极高的要求。一段程序很可能在10个人同时使用时完全正常，但是在10000个人同时使用时就会缓慢、死锁甚至崩溃。毫无疑问，要满足10000个人同时使用，需要更高性能的物理硬件，但是在绝大多数情况下，提升硬件性能无法等比例提升程序的运行性能和并发能力，甚至有可能对程序运行状况没有任何改善。这里面有Java虚拟机的原因：为了达到“所有硬件提供一致的虚拟平台”的目的，牺牲了一些硬件相关的性能特性。更重要的是人为原因：如果开发人员不了解虚拟机诸多技术特性的运行原理，就无法写出最适合虚拟机运行和自优化的代码。 其实，目前商用的高性能Java虚拟机都提供了相当多的优化参数和调节手段，用于满足应用程序在实际生产环境中对性能和稳定性的要求。如果只是为了入门学习，让程序在自己的机器上正常工作，那么这些特性可以说是可有可无的；但是，如果用于生产开发，尤其是大规模的、企业级的生产开发，就迫切需要开发人员中至少有一部分人对虚拟机的特性及调节方法具有很清晰的认识。所以在Java开发体系中，对架构师、系统调优师、高级程序员等角色的需求一直都非常大。学习虚拟机中各种自动运作特性的原理也成为Java程序员成长路上最终必然会接触到的一课。通过本书，读者可以以一个相对轻松的方式学到虚拟机的运作原理。 本书面向的读者 （1）使用Java技术体系的中、高级开发人员 Java虚拟机作为中、高级开发人员修炼的必要知识，有着较高的学习门槛，本书可作为学习虚拟机的教材。 （2）系统调优师 系统调优师是最近几年才兴起并迅速流行起来的职业，本书中的大量案例、代码和调优实战将会对系统调优师的日常工作有直接的参考作用。 （3）系统架构师 保障系统的性能、并发和伸缩等能力是系统架构师的主要职责之一，而这部分与虚拟机的运作密不可分，本书可以作为他们制定应用系统底层框架的参考资料。 如何阅读本书 本书一共分为五个部分：走近Java、自动内存管理、虚拟机执行子系统、程序编译与代码优化、高效并发。各个部分之间基本上是互相独立的，没有必然的前后依赖关系，读者可以从任何一个感兴趣的专题开始阅读，但是每个部分各个章节间则有先后顺序。 这里并没有假定所有读者都在Java领域具备特别专业的技术水平，因此会在保证逻辑完整、描述准确的前提下，尽量用通俗的语言和案例去讲述虚拟机中与开发关系最为密切的内容。但是，本书毕竟是在探讨虚拟机的工作原理，不可避免地需要读者有一定的技术基础，而且本书的读者定位是中、高级程序员群体，对于一些常用的开发框架、Java类库API和Java语法等基础知识点，将假设读者已有所了解。 本书介绍的Java虚拟机并不局限于某一个特定发行商或者某一款特定虚拟机，只是由于OracleJDK/OpenJDK在市场占有率上的绝对优势，其中的HotSpot虚拟机不可避免地成为本书主要分析、讲解的对象，书中在涉及Java虚拟机自身实现相关的内容时，大多将以HotSpot虚拟机为目标对象来进行讲解。但撰写本书的意图并不是去做HotSpot的源码导读或者解析，书中所讲述的内容多为Java虚拟机的通用原理，即使读者使用了HotSpot之外的其他Java虚拟机实现，也会有所收获。 最后，非常希望读者能跟随本书的讲解，把与实践相关的内容亲自验证一遍，其中用到的代码清单可以从华章图书的网站（http://www.hzbook.com/）上下载。 语言约定 开始阅读本书之前，在语言和技术上先与读者建立如下约定： ·JDK从1.5版本开始，其官方的正式文档与宣传材料中的发行版本号启用了JDK 5、6、7……的新命名方式；从2018年3月发布的JDK 10起，JDK的开发版本号（如java-version）也放弃了以前1.x的命名形式，改为按发布的日期时间命名。本书为了行文一致，所有场合统一采用发行版本号来指代所述的JDK版本。 ·由于版面原因，本书中的许多示例代码都没有遵循最优的程序编写风格，如使用的流没有关闭流、直接使用System.out输出日志等，请读者在阅读时注意这一点。 ·本书讲解中涉及JDK 7以前HotSpot虚拟机、JRockit虚拟机、WebLogic服务器等产品的所有者时，仍然会使用BEA和Sun公司的名称，而不是Oracle。实际上BEA和Sun分别于2008年和2010年被Oracle公司收购，现在已经不存在这两个商标了，但是它们毫无疑问都是在Java领域中做出过卓越贡献的、值得程序员们纪念的先驱企业。 ·本书第3版撰写于2019年中期，此时JDK 13已有了技术预览版（Early Access），但尚未正式发布。本书中所有的讲解、讨论都是基于这个时间点的Java技术的，但并不针对特定的JDK版本。如涉及JDK新版本中加入的功能，或在不同版本中有所变化的特性，笔者都会明确指出JDK的版本号，或专门阐述各个版本间的差异。 内容特色与更新 本书的第2版成文于2011至2012年间，出版于2013年，撰写时是基于早期版本的JDK 7，彼时正值Oracle全面替代Sun公司领导Java技术发展的起点。经过将近十年的时间，今天JDK版本已经发展到了JDK 12及预览版的JDK 13，整个Java技术体系一改Sun时代的迟缓作风，出现了许多激烈的变革，也涌现了不少令人欣喜的新变化、新风潮。我在撰写本书第3版时，期望能把这些新的变化融合到已有的知识框架中，修改第2版中读者反馈的问题，提升叙述的准确性与可读性，这些期望中的更新使得本书字数从原有的24万增加到35万。因此，在前言部分，笔者针对每章列举出主要更新的内容，以便阅读过第2版的读者可以快速定位，获取到新的知识。当然，如果你尚有余暇，不妨从头阅读一次本书，相信会有与阅读第2版时不一样的体验和收获。

【第一部分　走近Java】 ●第1章　走近Java 2 1.1　概述 2 1.2　Java技术体系 3 1.3　Java发展史 4 1.4　Java虚拟机家族 12 1.4.1　虚拟机始祖：Sun Classic/Exact VM 12 1.4.2　武林盟主：HotSpot VM 13 1.4.3　小家碧玉：Mobile/Embedded VM 14 1.4.4　天下第二：BEA JRockit/IBM J9 VM 15 1.4.5　软硬合璧：BEA Liquid VM/Azul VM 16 1.4.6　挑战者：Apache Harmony/Google Android Dalvik VM 17 1.4.7　没有成功，但并非失败：Microsoft JVM及其他 18 1.4.8　百家争鸣 19 1.5　展望Java技术的未来 21 1.5.1　无语言倾向 21 1.5.2　新一代即时编译器 23 1.5.3　向Native迈进 24 1.5.4　灵活的胖子 26 1.5.5　语言语法持续增强 27 1.6　实战：自己编译JDK 29 1.6.1　获取源码 29 1.6.2　系统需求 31 1.6.3　构建编译环境 33 1.6.4　进行编译 34 1.6.5　在IDE工具中进行源码调试 36 1.7　本章小结 39 【第二部分　自动内存管理】 ●第2章　Java内存区域与内存溢出异常 42 2.1　概述 42 2.2　运行时数据区域 42 2.2.1　程序计数器 43 2.2.2　Java虚拟机栈 43 2.2.3　本地方法栈 44 2.2.4　Java堆 44 2.2.5　方法区 46 2.2.6　运行时常量池 47 2.2.7　直接内存 47 2.3　HotSpot虚拟机对象探秘 48 2.3.1　对象的创建 48 2.3.2　对象的内存布局 51 2.3.3　对象的访问定位 52 2.4　实战：OutOfMemoryError异常 53 2.4.1　Java堆溢出 54 2.4.2　虚拟机栈和本地方法栈溢出 56 2.4.3　方法区和运行时常量池溢出 61 2.4.4　本机直接内存溢出 65 2.5　本章小结 66 ●第3章　垃圾收集器与内存分配策略 67 3.1　概述 67 3.2　对象已死？ 68 3.2.1　引用计数算法 68 3.2.2　可达性分析算法 70 3.2.3　再谈引用 71 3.2.4　生存还是死亡？ 72 3.2.5　回收方法区 74 3.3　垃圾收集算法 75 3.3.1　分代收集理论 75 3.3.2　标记-清除算法 77 3.3.3　标记-复制算法 78 3.3.4　标记-整理算法 79 3.4　HotSpot的算法细节实现 81 3.4.1　根节点枚举 81 3.4.2　安全点 82 3.4.3　安全区域 83 3.4.4　记忆集与卡表 84 3.4.5　写屏障 85 3.4.6　并发的可达性分析 87 3.5　经典垃圾收集器 89 3.5.1　Serial收集器 90 3.5.2　ParNew收集器 92 3.5.3　Parallel Scavenge收集器 93 3.5.4　Serial Old收集器 94 3.5.5　Parallel Old收集器 95 3.5.6　CMS收集器 96 3.5.7　Garbage First收集器 98 3.6　低延迟垃圾收集器 104 3.6.1　Shenandoah收集器 105 3.6.2　ZGC收集器 112 3.7　选择合适的垃圾收集器 121 3.7.1　Epsilon收集器 121 3.7.2　收集器的权衡 121 3.7.3　虚拟机及垃圾收集器日志 122 3.7.4　垃圾收集器参数总结 127 3.8　实战：内存分配与回收策略 129 3.8.1　对象优先在Eden分配 130 3.8.2　大对象直接进入老年代 131 3.8.3　长期存活的对象将进入老年代 132 3.8.4　动态对象年龄判定 134 3.8.5　空间分配担保 135 3.9　本章小结 137 ●第4章　虚拟机性能监控-故障处理工具 138 4.1　概述 138 4.2　基础故障处理工具 138 4.2.1　jps：虚拟机进程状况工具 141 4.2.2　jstat：虚拟机统计信息监视工具 142 4.2.3　jinfo：Java配置信息工具 143 4.2.4　jmap：Java内存映像工具 144 4.2.5　jhat：虚拟机堆转储快照分析工具 145 4.2.6　jstack：Java堆栈跟踪工具 146 4.2.7　基础工具总结 148 4.3　可视化故障处理工具 151 4.3.1　JHSDB：基于服务性代理的调试工具 152 4.3.2　JConsole：Java监视与管理控制台 157 4.3.3　VisualVM：多合-故障处理工具 164 4.3.4　Java Mission Control：可持续在线的监控工具 171 4.4　HotSpot虚拟机插件及工具 175 4.5　本章小结 180 ●第5章　调优案例分析与实战 181 5.1　概述 181 5.2　案例分析 181 5.2.1　大内存硬件上的程序部署策略 182 5.2.2　集群间同步导致的内存溢出 184 5.2.3　堆外内存导致的溢出错误 185 5.2.4　外部命令导致系统缓慢 187 5.2.5　服务器虚拟机进程崩溃 187 5.2.6　不恰当数据结构导致内存占用过大 188 5.2.7　由Windows虚拟内存导致的长时间停顿 189 5.2.8　由安全点导致长时间停顿 190 5.3　实战：Eclipse运行速度调优 192 5.3.1　调优前的程序运行状态 193 5.3.2　升级JDK版本的性能变化及兼容问题 196 5.3.3　编译时间和类加载时间的优化 200 5.3.4　调整内存设置控制垃圾收集频率 203 5.3.5　选择收集器降低延迟 206 5.4　本章小结 209 【第三部分　虚拟机执行子系统】 ●第6章　类文件结构 212 6.1　概述 212 6.2　无关性的基石 212 6.3　Class类文件的结构 214 6.3.1　魔数与Class文件的版本 215 6.3.2　常量池 218 6.3.3　访问标志 224 6.3.4　类索引-父类索引与接口索引集合 225 6.3.5　字段表集合 226 6.3.6　方法表集合 229 6.3.7　属性表集合 230 6.4　字节码指令简介 251 6.4.1　字节码与数据类型 251 6.4.2　加载和存储指令 253 6.4.3　运算指令 254 6.4.4　类型转换指令 255 6.4.5　对象创建与访问指令 256 6.4.6　操作数栈管理指令 256 6.4.7　控制转移指令 257 6.4.8　方法调用和返回指令 257 6.4.9　异常处理指令 258 6.4.10　同步指令 258 6.5　公有设计，私有实现 259 6.6　Class文件结构的发展 260 6.7　本章小结 261 第7章　虚拟机类加载机制 262 7.1　概述 262 7.2　类加载的时机 263 7.3　类加载的过程 267 7.3.1　加载 267 7.3.2　验证 268 7.3.3　准备 271 7.3.4　解析 272 7.3.5　初始化 277 7.4　类加载器 279 7.4.1　类与类加载器 280 7.4.2　双亲委派模型 281 7.4.3　破坏双亲委派模型 285 7.5　Java模块化系统 287 7.5.1　模块的兼容性 288 7.5.2　模块化下的类加载器 290 7.6　本章小结 292 第8章　虚拟机字节码执行引擎 293 8.1　概述 293 8.2　运行时栈帧结构 294 8.2.1　局部变量表 294 8.2.2　操作数栈 299 8.2.3　动态连接 300 8.2.4　方法返回地址 300 8.2.5　附加信息 301 8.3　方法调用 301 8.3.1　解析 301 8.3.2　分派 303 8.4　动态类型语言支持 315 8.4.1　动态类型语言 316 8.4.2　Java与动态类型 317 8.4.3　java.lang.invoke包 318 8.4.4　invokedynamic指令 321 8.4.5　实战：掌控方法分派规则 324 8.5　基于栈的字节码解释执行引擎 326 8.5.1　解释执行 327 8.5.2　基于栈的指令集与基于寄存器的指令集 328 8.5.3　基于栈的解释器执行过程 329 8.6　本章小结 334 第9章　类加载及执行子系统的案例与实战 335 9.1　概述 335 9.2　案例分析 335 9.2.1　Tomcat：正统的类加载器架构 335 9.2.2　OSGi：灵活的类加载器架构 338 9.2.3　字节码生成技术与动态代理的实现 341 9.2.4　Backport工具：Java的时光机器 345 9.3　实战：自己动手实现远程执行功能 348 9.3.1　目标 348 9.3.2　思路 349 9.3.3　实现 350 9.3.4　验证 355 9.4　本章小结 356 【第四部分　程序编译与代码优化】 ●第10章　前端编译与优化 358 10.1　概述 358 10.2　Javac编译器 359 10.2.1　Javac的源码与调试 359 10.2.2　解析与填充符号表 362 10.2.3　注解处理器 363 10.2.4　语义分析与字节码生成 364 10.3　Java语法糖的味道 367 10.3.1　泛型 367 10.3.2　自动装箱-拆箱与遍历循环 375 10.3.3　条件编译 377 10.4　实战：插入式注解处理器 378 10.4.1　实战目标 379 10.4.2　代码实现 379 10.4.3　运行与测试 385 10.4.4　其他应用案例 386 10.5　本章小结 386 ●第11章　后端编译与优化 388 11.1　概述 388 11.2　即时编译器 389 11.2.1　解释器与编译器 389 11.2.2　编译对象与触发条件 392 11.2.3　编译过程 397 11.2.4　实战：查看及分析即时编译结果 398 11.3　提前编译器 404 11.3.1　提前编译的优劣得失 405 11.3.2　实战：Jaotc的提前编译 408 11.4　编译器优化技术 411 11.4.1　优化技术概览 411 11.4.2　方法内联 415 11.4.3　逃逸分析 417 11.4.4　公共子表达式消除 420 11.4.5　数组边界检查消除 421 11.5　实战：深入理解Graal编译器 423 11.5.1　历史背景 423 11.5.2　构建编译调试环境 424 11.5.3　JVMCI编译器接口 426 11.5.4　代码中间表示 429 11.5.5　代码优化与生成 432 11.6　本章小结 436 【第五部分　高效并发】 ●第12章　Java内存模型与线程 438 12.1　概述 438 12.2　硬件的效率与一致性 439 12.3　Java内存模型 440 12.3.1　主内存与工作内存 441 12.3.2　内存间交互操作 442 12.3.3　对于volatile型变量的特殊规则 444 12.3.4　针对long和double型变量的特殊规则 450 12.3.5　原子性-可见性与有序性 450 12.3.6　先行发生原则 452 12.4　Java与线程 455 12.4.1　线程的实现 455 12.4.2　Java线程调度 458 12.4.3　状态转换 460 12.5　Java与协程 461 12.5.1　内核线程的局限 461 12.5.2　协程的复苏 462 12.5.3　Java的解决方案 464 12.6　本章小结 465 ●第13章　线程安全与锁优化 466 13.1　概述 466 13.2　线程安全 466 13.2.1　Java语言中的线程安全 467 13.2.2　线程安全的实现方法 471 13.3　锁优化 479 13.3.1　自旋锁与自适应自旋 479 13.3.2　锁消除 480 13.3.3　锁粗化 481 13.3.4　轻量级锁 481 13.3.5　偏向锁 483 13.4　本章小结 485 附录A　在Windows系统下编译OpenJDK 6 486 附录B　展望Java技术的未来（2013年版） 493 附录C　虚拟机字节码指令表 499 附录D　对象查询语言（OQL）简介 506 附录E　JDK历史版本轨迹 512