JVM虚拟机

目录

一，内存区域划分

二，类加载过程

2.1 类加载的基本流程

2.2 双亲委派模型

三，垃圾回收机制 - GC

3.1 找到垃圾

3.2 回收垃圾

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一，内存区域划分

一个运行起来的Java进程，就是一个JVM虚拟机，就需要从操作系统申请一大块内存。这块内存空间会被划分成以下几个部分：

1. 方法区：又叫元数据区，用来存储类对象(?.class文件加载到内存)。
2. 堆：这里存储的内容，就是代码中 new 的对象，是内存中占据空间最大的区域。
3. 栈：用来存储方法之间的调用关系。主要存储方法的入口，方法返回的位置，方法的形参，返回值，局部变量...
4. 程序计数器：主要用来存放 "地址" ，表示下一条要执行的指令的地址，指令是以二进制的形式存储在方法区中，并保存在对应的类对象中。
5. 本地方法栈：指的是使用native关键字修饰的方法，该方法是通过C++代码实现，这块区域是用来存储JVM内部的C++代码的调用关系。

注：在JVM进程中，堆和与元数据区只有一份，而虚拟机栈和程序计数器则是每一个线程中都有一份。

常见的面试题：问下面代码中，变量 n, a, t 分别处于内存中的哪个区域？

class Demo{

    public int n = 100;

    public static int a = 1;

    void test(){
        Demo t = new Demo();
    }

}

• n 是成员变量，是存储在new的对象的区域中，上面讲到new的对象都存储在堆上，所以变量n存储在堆上。
• a 是静态变量，而静态变量又称类属性，也就是说它是包含在类对象中的，所以变量a存储在方法区中。
• t 是局部变量，局部变量是存储在栈中的。

总结：一个变量存储在哪里，与变量是否是引用类型，是否是基本类型无关，与变量的形态是密切相关的。局部变量存储在栈上；成员变量存储在堆上；静态变量存储在方法区中。

二，类加载过程

2.1 类加载的基本流程

java代码会被编译成 .class文件，Java程序想要运行起来，就需要让JVM读取到这些 .class 文件，并且把里面的内容构造成类对象，保存到方法区中。这个类加载过程，主要分为5个步骤：

1）加载

找到.class文件，打开文件，读取文件内容，往往代码中会给定类的 "全限定类名"，例如：java.util.ArraysList，java.lang.*，JVM会根据这个类名，在一些指定的目录范围内查找。

2）验证

.class文件是一个二进制的格式，（某些字节都是有特定含义的），需要验证当前JVM读到的格式是否符合要求。当前读到的.class文件的格式必须和官方提供的格式一样，下图是官方的.class文件格式。

3） 准备

给类对象分配内存空间，这里只是分配内存空间，没有初始化，此时空间上内存的数值仍然是全0.

4）解析

针对类对象中的包含的字符串常量进行处理，进行一些初始化操作。java代码中用到的字符转常量在编译后，也会进入到.class文件中。

比如：final String str = "abc"，与此同时，.class文件的二进制指令也会有一个引用str被创建出来，又因为引用本质上存储的是一个地址，而在文件中，没有地址这样的概念，所以在.class文件中，str的初始化语句，就会被设置成一个 "文件的偏移量"，通过偏移量就能找到 "abc" 所在的位置，当这个类真的被加载到内存中时，再把这个偏移量替换为真正的地址。

5）初始化

针对类对象进行初始化，把类对象中需要的各个属性设置好，初始化static成员，执行静态代码块，如果有父类还要加载以下父类

2.2 双亲委派模型

双亲委派模型是属于类加载中"加载"这一环节，负责根据全限定类名查找 .class文件。

在讲双亲委派模型之前，先了解一下类加载器，类加载器是JVM中的一个模块，是专门用来进行类加载操作的，JVM中内置了三个类加载器：1. BootStrap ClassLoader? 2. Extension ClassLoader? 3. Application ClassLoader?

查找 .class文件的过程：

1. 给定一个类的全限定类名，比如：java.lang.String
2. 从Application ClassLoader 作为入口，开始执行查找逻辑
3. Application ClassLoader (负责搜索项目当前目录和第三方库对应的目录)，不会立即去扫描自己负责的目录，而是把查找的任务，交给它的父亲，Extension ClassLoader
4. Extension ClassLoader (负责JDK中的一些扩展的库对应的目录)，不会立即去扫描自己负责的目录，而是把查找的任务，交给它的父亲，Bootstrap?ClassLoader
5. Bootstrap?ClassLoader (负责的是标志库的目录)，不会立即去扫描自己负责的目录，而是把查找的任务，交给它的父亲，但是它没有父亲，所以只能自己扫描目录，如果找到对应的.class文件，就打开读取该文件....，如果没找到，就把任务交给孩子
6. 也就是Extension ClassLoader，如果Extension ClassLoader找到了，就打开读取该文件....，如果没找到，就把任务交给孩子
7. 也就是Bootstrap?ClassLoader，如果Bootstrap ClassLoader找到了，就打开读取该文件....，如果没找到，就说明没有该文件，抛出ClassNotFoundExceptioon

?该流程的目的就是为了保证优先查找标准库中的类，其次是扩展库，最后是自己写的和第三方库

三，垃圾回收机制 - GC

在C和C++中，通常使用malloc或者new来申请内存空间，但是在使用后，也需要手动调用free或者delete来释放内存，这十分考验程序员的素养，而相比之下，Java提供了一种方案——垃圾回收机制(GC)，让JVM自动判定某个内存是否不再使用，如果真的不在使用，JVM会自动把该内存给回收掉，这大大降低了程序员的负担。

GC机制回收的目标，其实是内存中的对象，对于Java来说，就是new出来的对象，也就是堆上的对象；局部变量是跟随栈帧的生命周期走的，方法执行结束，栈帧销毁，内存自然就释放了；静态变量的生命周期是整个程序，它是始终存在的，这意味着静态变量是不需要释放的。综上所述，真正需要GC释放的就是堆上的对象。

GC的实现需要两大步骤：1. 找到垃圾? ? ?2. 释放垃圾

3.1 找到垃圾

在GC圈中，有两套主流方案：

1）引用计数 【Python，PHP使用】

对于new出来的对象，再单独安排一块空间，来存储一个计数器，用来记录有多少引用指向new出来的对象，一旦引用计数为0，就说明这个对象不可能被访问到，此时该对象就可以视为垃圾。

?为什么Java不使用该方法呢？因为该方法存在两个缺陷：

1. 比较浪费内存：计数器最少也要两个字节，但是有可能创建的对象很小，就2个字节，也就是说计数器占了50%的内存，这样的话，就会浪费内存
2. 会存在 "循环引用" 问题：

2）可达性分析 【Java使用】

该方法本质上是时间换空间，有一个/一组线程，周期性的扫描代码中所有对象，把所有能访问到的对象标记为 "可达"，反之，未被标记的对象就是垃圾。

该方法是出发点有很多，不仅仅是所有局部变量，还有常量池中引用的对象，方法区中静态引用类型的对象.....，这些统称为GCRoots.

注意，这里的可达性分析都是周期性进行的，所以它比较消耗系统资源，开销比较大。

3.2 回收垃圾

三种思路：

1. 标记清除：比较简单粗暴，把找到的对象，直接释放，但是这个方案非常不好，因为这样会产生很多的内存碎片，释放资源的目的是为了让别的代码能够申请，而申请的内存都是连续的，比如：申请一个2MB的空间

2. 复制算法：通过复制的方式，把有效的对象放到一起，再统一释放剩下的空间。

3. 标记整理

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实际上，JVM采取的释放思路，是上述基础思路的结合，以此来扬长避短。

1. 伊甸区存放刚new的新的对象，根据经验规律，从对象诞生到第一轮可达性分析，这个过程中大部分对象都会成为垃圾。
2. 伊甸区 => 幸存区，使用复制算法，每一轮GC扫描后，都要把有效对象拷贝到幸存区的一边，伊甸区就可以整体释放。
3. 幸存区分为两份，大小相同，每次GC扫描幸存区的时候，就会把有效对象拷贝到幸存区的另一边。
4. 当这个对象已经在幸存区存活过很多轮GC扫描之后，JVM就认为这个对象短时间内是释放不掉了，就会把这个对象拷贝到老年代
5. 进入老年代的对象，虽然也会被GC扫描，但是JVM认为这个对象短时间内是释放不掉，所以GC扫描的频率就会比新生代低很多。这也是为了减少GC扫描的开销。

我们将上述思想称为：分代回收