JVM原理（二）类加载机制与GC算法

一. 类的加载机制

1. 过程
   1. 将.class的二进制数据读入内存，放入方法区中
   2. 在堆中创建一个java.lang.Class对象，封装类在方法区中的数据结构，并提供访问方法区数据结构的接口
2. 类的生命周期
   1. 类的加载过程
      1. 加载：查找并加载类的二进制数据，在堆中创建java.lang.Class类对象
      2. 连接
         1. 验证：文件格式，元数据，字节码，符号引用验证
         2. 准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值
         3. 解析：把类中的符号引用转换为直接引用
      3. 初始化：为类的静态变量赋正确的初始值
   2. 使用：new出对象，程序中使用
   3. 卸载：执行垃圾回收
   4. 图示：
3. 类加载器：
   1. 分类：
      1. 启动类加载器：加载JDK\jre\lib下或者被-Xbootclasspath指定的路径下的类库
      2. 扩展类加载器：加载JDK\jre\lib\ext下或者被java.ext.dirs指定的类库（javax.*开头）
      3. 应用程序类加载器：加载用户类路径所指定的类（ClassPath）
   2. 父子关系
4. 类加载机制
   1. 全盘负责：当一个类加载器加载某个类，则这个类引用的其他class也有该类加载器负责载入
   2. 父类委托：先让父类加载器加载，如果不能加载，在从自己的类路径加载
   3. 缓存机制：所有加载过得类都会被缓存，然后当需要使用某个class时，先看缓存区中是否存在（所以改完class需要重启JVM）

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二. jvm内存结构

1. 组成：
   1. Java堆：存放对象实例，所有线程共享
      1. 组成
         1. 年轻代(括号中是内存比例)
            1. Eden(8)
            2. From Survivor(1)
            3. To Survivor(1)
         2. 老年代
      2. 控制参数
         1. -Xms设置堆的最小空间大小。
         2. -Xmx设置堆的最大空间大小。
         3. -XX:NewSize设置新生代最小空间大小。
         4. -XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。
         5. -XX:PermSize设置永久代最小空间大小。
         6. -XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。
         7. -Xss设置每个线程的堆栈大小。
   2. 方法区：存放虚拟机已经加载的类，常量，静态变量，即时编译器编译的代码，所有线程共享
   3. 程序计数器：当前线程执行的字节码的行号指示器，线程私有
   4. JVM栈：声明周期和线程相同，每个方法调用到执行，对应栈帧在JVM栈中入栈出栈
   5. 本地方法栈：与JVM栈相似，虚拟机用到的Native方法的入栈出栈
2. 内存结构图示：
3. 对象分配规则
   1. 对象优先分配Eden区：如果Eden区没有足够空间，执行一次Minor GC
   2. 大对象（需要大量连续内存空间的对象）直接进入老年代：为了避免在Eden和Survivor发生大量数据拷贝（年轻代使用复制算法收集内存）
   3. 长期存活的对象进入老年代：长期存活的判定是，有一个年龄计数器，对象经过一次MinorGc，进入Surviror，之后每经过一次MinorGC，则年龄加1，到达一定值，进入老年区
   4. 动态判断对象的年龄：如果Survivor区中相同年龄的所有对象，大小总和大于Survivor的一半，则大于等于该年龄的对象可以直接进入老年代
   5. 空间分配担保：每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

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三. GC算法

1. 对象存活判断
   1. 两种方式：
      1. 引用计数：有一个引用的时候这个对象的引用计数属性加1，引用释放之后，计数减1，为0表示可回收
      2. 可达性分析：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象。
         1. GC Roots包括：
            1. 虚拟机栈中引用的对象。
            2. 方法区中类静态属性实体引用的对象。
            3. 方法区中常量引用的对象。
            4. 本地方法栈中JNI引用的对象。
2. GC算法
   1. 基础算法
      1. 标记 -清除算法：算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。
      2. 复制算法：将可用内存分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
      3. 标记-压缩算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存
   2. 分代收集算法（垃圾回收器使用）：
      1. 年轻代：复制算法
      2. 老年代：标记-清除和标记-压缩
3. 垃圾回收器及组合策略表格

 

垃圾回收器	年轻代	老年代	参数控制	目标
Serial收集器	串行，复制	串行，标记-压缩	-XX:+UseSerialGC  串行收集器
ParNew收集器	并行，复制	串行，标记-压缩	-XX:+UseParNewGC  ParNew收集器 -XX:ParallelGCThreads 限制线程数量
Parallel收集器	自适应，复制	串行，标记-压缩	-XX:+UseParallelGC  使用Parallel收集器+ 老年代串行	最合适的停顿时间 最大的吞吐量
Parallel Old 收集器	自适应，复制	并行，标记-压缩	-XX:+UseParallelOldGC 使用Parallel收集器+ 老年代并行	最合适的停顿时间 最大的吞吐量
CMS收集器	ParNew收集器	并行，标记-清除	-XX:+UseConcMarkSweepGC  使用CMS收集器 -XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长 -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction  设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理 -XX:ParallelCMSThreads  设定CMS的线程数量（一般情况约等于可用CPU数量）	获取最短回收停顿时间 优点：并发收集，低停顿 缺点：产生大量碎片，并发阶段会降低吞吐量
G1收集器	并行，标记-压缩	并行，标记-压缩	-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC   开启 -XX:MaxGCPauseMillis =50   暂停时间目标 -XX:GCPauseIntervalMillis =200   暂停间隔目标 -XX:+G1YoungGenSize=512m  年轻代大小 -XX:SurvivorRatio=6    幸存区比例

 

常用组合	新生代GC策略	年老代GC策略	说明
组合1	Serial	Serial Old	Serial和Serial Old都是单线程进行GC，特点就是GC时暂停所有应用线程。
组合2	Serial	CMS+Serial Old	CMS（Concurrent Mark Sweep）是并发GC，实现GC线程和应用线程并发工作，不需要暂停所有应用线程。另外，当CMS进行GC失败时，会自动使用Serial Old策略进行GC。
组合3	ParNew	CMS	使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。ParNew是Serial的并行版本，可以指定GC线程数，默认GC线程数为CPU的数量。可以使用-XX:ParallelGCThreads选项指定GC的线程数。 如果指定了选项-XX:+UseConcMarkSweepGC选项，则新生代默认使用ParNew GC策略。
组合4	ParNew	Serial Old	使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。新生代使用ParNew GC策略，年老代默认使用Serial Old GC策略。
组合5	Parallel Scavenge	Serial Old	Parallel Scavenge策略主要是关注一个可控的吞吐量：应用程序运行时间 / (应用程序运行时间 + GC时间)，可见这会使得CPU的利用率尽可能的高，适用于后台持久运行的应用程序，而不适用于交互较多的应用程序。
组合6	Parallel Scavenge	Parallel Old	Parallel Old是Serial Old的并行版本
组合7	G1GC	G1GC	-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC        #开启 -XX:MaxGCPauseMillis =50                  #暂停时间目标 -XX:GCPauseIntervalMillis =200          #暂停间隔目标 -XX:+G1YoungGenSize=512m            #年轻代大小 -XX:SurvivorRatio=6                            #幸存区比例