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一、JVM基础与内存划分

1.1 什么是JVM

JVM全称Java Virtual Machine，Java虚拟机，是一套软件模拟的虚拟计算机，隔离底层操作系统，实现Java一次编译，到处运行。

1.2 JVM完整执行流程

Java程序从.java到CPU执行分为四个模块协同工作：

1. 类加载子系统 ClassLoader：读取class字节码文件，加载进内存；
2. 运行时数据区 Runtime Data Area：存放程序运行期间所有内存数据；
3. 执行引擎 Execution Engine：解析/编译字节码，转为操作系统指令；
4. 本地接口 Native Interface：调用C/C++本地库，完成底层操作。

完整流程：
.java编译→.class字节码文件 → 类加载器加载至运行时数据区 → 执行引擎解析字节码 → 调用本地方法接口操作系统资源，CPU执行。

1.3 内存区域划分

在真实的操作系统中，对于进程的地址空间进行了功能区域划分，JVM仿照真实的机器和真实的操作系统进行设计。

JVM从操作系统中申请到了一些内存空间，供JVM进程的代码使用。

JVM内存空间的划分就是把JVM自身申请到的内存空间，再把内存按不同功能进行划分。类比把一栋大楼分成若干层，每一层细致划分。

核心区域：

1. 程序计数器：记录当前线程执行字节码行号，执行Java方法存指令地址

这里的程序寄存器指内存上的空间，与计组中的程序寄存器不同，计组中的程序寄存器是在CPU上的

• 唯一特性：JVM规范中唯一不会发生OOM的内存区域；
• 线程私有：多线程切换时依靠PC寄存器恢复执行位置。

2. 元数据区：保存当前类被加载好的数据
.java文件经过javac编译变成.class文件，想要运行这个文件，就需要把字节码文件加载到内存中，也就是元数据区。

元信息就是指属性，例如类名称，访问权限，继承自哪些类或实现了哪些接口；方法名称，参数，返回值等。

Java8之前元数据区也称为”方法区“

3. 栈：保存方法调用关系
每次调用方法时都会进入方法内部，当方法调用完毕，返回调用位置，程序继续向后执行。这里的栈与数据结构中的栈逻辑类似，都具有后进先出的特性。

• 与操作系统中的栈联系：
  JVM进程是C++代码编写的程序，本身就是存在一系列C++中的方法调用。维护这些C++方法的栈就是操作系统原生的栈。这些方法调用构成了JVM虚拟机程序。通过这些C++代码，解释执行.class文件中的字节码，这个过程又涉及到了Java方法调用，就构造出了Java的栈

栈区的两种异常：

• StackOverflow：栈所占用的空间只有几十MB，如果递归函数出口逻辑错误，就有可能导致大量方法调用但是不返回，栈深度超出范围，造成栈溢出。
• OOM：多线程大量创建线程，虚拟机无法分配栈内存。

4. 堆：保存对象实例，是JVM中最大的空间区域

假设创建一个对象实例：Test t = new Test()

• 如果t是局部变量，t保存在栈中，函数调用完毕就会销毁
• 如果t是成员变量，t保存在堆中
• 如果t是静态成员变量，t保存在元数据区，随类加载创建
• new Test()一定保存在堆上

如果堆上的对象不再使用就会被释放，也就是垃圾回收的工作。

元数据区和堆，整个Java进程共用一份，程序计数器和栈一个进程中可能有多份，每个线程各一份。

二、类加载机制

2.1 类完整生命周期

加载 → 连接（验证、准备、解析） → 初始化 → 使用 → 卸载

前3阶段合称类加载过程。

1. 加载 Loading
   1. 找到.class文件，根据类的全限定名（包名+类名，例如java.lang.String）
   2. 打开文件，读取文件内容到内存中
2. 验证 Verification：解析，校验.class文件合规性，防止恶意字节码破坏虚拟机，并把.class里的内容转换为结构化的数据（也就是符合虚拟机规范的格式）；
3. 准备 Preparation：给类对象申请内存空间，此时的空间相当于”全0“的状态；
4. 解析 Resolution：初始化字符串常量。字符串常量本身就包含在.class中，解析阶段就要把解析出的字符串常量放到内存中（元数据区的常量池）；
5. 初始化 Initialization：针对类对象进行最后的初始化。为类对象各种属性进行填充，包括静态成员变量。如果这个类有父类，也会触发父类的加载。

一个进程中一个类的加载只会触发一次，并不是Java程序一启动就会加载所有的类，类加载也是懒汉模式（懒加载）的一种体现。

触发类加载的时机：

1. 构造这个类的实例
2. 调用类的静态属性或静态方法
3. 使用某个类时，如果父类还没加载，也会触发父类的加载

2.2 双亲委派模型

类加载器

JVM中有专门的模块负责类加载，默认提供了三种类加载器：

1. BootstrapClassLoader
2. ExtensionClassLoader
3. AplicationClassLoader

AplicationClassLoader中的parent引用指向ExtensionClassLoader，ExtensionClassLoader中的parent引用指向BootstrapClassLoader，BootstrapClassLoader中的parent引用指向null，构成了类似链表关系。

这三个类加载器主要作用都是找.class文件，各自负责找的目录不同：

• BootstrapClassLoader负责找Java标准库中的类
• ExtensionClassLoader负责找Java扩展库中的类。扩展可以认为JVM厂商对于Java的库做的扩充
• AplicationClassLoader负责找第三方库/当前项目。（当前学习过程中，通过Maven下载的类都属于第三方库）

双亲委派模型过程

1. 进行类加载时，通过全限定名找.class文件时，就会从AplicationClassLoader作为入口开始，把“加载类”这样的任务委托给它的父亲ExtensionClassLoader来执行
2. ExtensionClassLoader也不会立即干活，先把任务委托给它的父亲AplicationClassLoader来执行
3. AplicationClassLoader也想踢足球，但是它的parent为空，只能自己进行类加载，从标准库中找是否匹配的.class文件。如果没找到就把任务还给孩子ExtensionClassLoader
4. ExtensionClassLoader在扩展库中继续找.class文件，找到就加载，没找到就继续还给孩子AplicationClassLoader
5. AplicationClassLoader继续负责找.class文件，找到就加载；没找到就抛出ClassNotFount异常

也可以自定义类加载器，参与到双亲委派模型中

• 双亲委派模型两大优势
  • 避免类重复加载；
  • 安全防护：防止开发者自定义java.lang.Object篡改核心API。

三、垃圾回收GC原理

GC仅关注堆、方法区，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器生命周期随线程自动释放，无需回收。

3.1 GC工作流程

GC主要做两个工作：

1. 找到垃圾（不再使用的对象）
2. 释放垃圾（释放对应的内存）

1. 找到垃圾

（1）引用计数算法

每个对象在创建的的时候，就会分配一小块内存空间，保存一个整数，表示有多少个引用指向它，每次进行引用赋值的时候，都会触发引用计数的修改。

在Java中，使用对象一定要通过引用实现，当引用计数为0时，说明没有引用指向这个对象了，这样就可以判断这个对象就是垃圾

缺陷：

1. 内存消耗更多，尤其对象本身较小时，引用计数消耗的占比就更大
2. 可能出现循环引用

举个例子：

classTest{Testt=null;}classMain{publicstaticvoidmain(String[]args){Testa=newTest();//计数器+1Testb=newTest();//计数器+1a.t=b;//计数器+1b.t=a;//计数器+1}}

此时两个对象实例各有两个引用指向

如果把a和b都置为null

程序计数器各-1，不为0，但是都不能被调用。

PHP，Python都采用计数算法，搭配其他方案解决循环引用问题

（2）可达性分析

以代码中特定的对象作为遍历的起点，也称为GCRoots，进行遍历，来判定某个对象是否能被访问到到。每遍历一个对象，就标记为“可达”，剩余没有被标记的就认为是不可达，就是接下来要回收的垃圾了。

可作为GC Roots的对象：

1. 栈上的局部变量（引用类型）
2. 常量池中引用指向的对象
3. 静态成员（引用类型）

2. 释放垃圾

垃圾清除有四种算法：

1. 标记-清除：把垃圾对象的内存直接进行释放
   缺陷：会产生“内存碎片问题”，很难找到大块的连续的内存空间

2. 复制算法：把内存分为两部分，起始都保存在A区域；当垃圾回收时，把不释放的数据复制到B区域，再把A区域整体释放。这样就确保空闲内存都是连续的
   缺陷：内存空间利用率低，直接砍半；如果不需要释放的数据很多，复制开销很大

3. 标记-整理：类似于顺序表删除，把不需要释放的数据重新搬运整理
   缺陷：内存搬运数据的操作开销也很大，只解决了空间成本问题。

4. 分代收集：综合前三种方案。“代”指的是对象的年龄，单位是GC的轮次。

   1. 每个对象初始年龄是0，每经过一轮GC可达性分析，不是垃圾的对象年龄+1
   2. 根据年龄，把对象分为新生代和老年代。经过统计发现，如果一个对象是新生儿，大概率死的很快；如果一个对象是老油条，大概率能活很长时间。
   3. 对象在新生代反复被GC筛选，年龄增长，进入老年代。

堆区域划分：

• 新生代 Young：新建对象存放，98%对象朝生夕死。新生代进一步划分：
  • Eden 伊甸园：80%新生代，是所有新对象诞生地，由伊甸园到幸存区采用复制算法，因为绝大部分对象都活不过一轮GC，复制对象少，开销可控；
  • S0/S1 Survivor幸存者：各10%。幸存区的对象也要经历GC扫描，每一轮GC消灭一大批对象，然后通过复制算法把存活的对象复制到另一个幸存区；如果一个对象经过多次复制，都存活下来，就可以晋升到老年代了；
• 老年代 Old：长期存活对象、大对象。GC频次比较低，采用标记-整理算法；

一个对象经历的区域：伊甸园 -> 幸存区->幸存区->...->幸存区->老年代新生代统一采用复制算法；老年代采用标记整理

特殊情况：如果某个对象很大，复制成本很高，可以跳过新生代，进入老年代

3.2 垃圾收集器

在JVM中，由垃圾回收器来实现上述分代回收的策略。

分代回收只是最基本的策略，落实到垃圾收集器上，还有更特殊和进阶的策略。