简析JVM

本文为阅读《深入理解Java虚拟机》一书的阅读总结，仅围绕JVM如何运行字节码文件(*.class)探究Java虚拟机的运行机制，在本书的基础上对JVM做了更易理解也更为基础的介绍。
我们编写的Java代码文件，如:

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args){
        System.out.pringln("Hello Java!");
    }
}

要以计算机能够理解的方式运行，必须以计算机能够理解的方式沟通，JVM正是这个沟通的媒介，正式因为JVM的存在，Java技术体系才具备了跨平台的优势。
对于JVM来说，它能识别的只是字节码文件，字节码文件具有严格的格式规范，本书的第六章也对此予以了分析，受制于篇幅，本文不予以介绍，详细规范可以参照JVM规范。这也是与平台无关的奥秘所在，本书的JVM并不关心字节码文件编译自何种编程语言，只要编程语言生成的字节码文件满足字节码文件的格式要求，因此Java编程语言只是生成字节码文件的一种途径。
javac命令可以将.java文件编译成.class文件，一个java代码文件或者一个字节码文件相当于一个类或接口（以下统一以类来叙述）的身份描述说明，二者的唯一不同点在于，java 文件是一种程序员可以方便阅读的格式，字节码文件则是JVM方便“阅读”的格式。

类的加载

JVM如何去拿到字节码文件呢？这正是JVM虚拟机的类加载机制，JVM并不关心字节码来源于网络还是本机的磁盘，它认识的只是一串二进制流。
虚拟机把描述类的数据从二进制流加载到内存，在最终形成能被JVM直接使用的类之前，它需要完成以下几件事：

加载

加载过程就是通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流，将字节流所代表的静态存储结构转化为运行时的数据结构，再在内存生成一个代表这个类的的java.lang.Class对象，作为这个类各种数据的访问入口。
实现类加载的代码模块叫做类加载器，每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间，因此，比较两个类是否相等，只有这两个类由同一个类加载器加载才有意义。

校验

之前说过，字节码文有严格的格式要求，有了字节码文件，检查该文件包含的的字节流是否符合当前虚拟机格式的要求，是否存在威胁虚拟机安全的恶意代码，这就是这个阶段要完成的事情。又分为文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证等多个阶段，整体是一个从形式到内容，从整体到部分的验证过程。

准备

为类变量，即static变量分配存储空间并初始化。

解析

将字节码文件中的符号引用替换为直接引用，符号引用即描述引用目标位置的字面量；直接引用即引用目标实际的内存位置，可以是一个指针，也可以是一个偏移量。

初始化

与前四个步骤不同，类是否初始化有几个触发的必备条件：

1. new 一个类的实例、读取或设置一个类的静态字段
2. 反射调用，如果没初始化，则要先初始化
3. 子类被初始化
4. 执行主类（包含main方法的类）在虚拟机启动时初始化
   在满足这几个条件中的任意一个后，类加载会进入初始化阶段，执行类的()方法。这个方法由编译器自动收集类的所有类变量的赋值动作合并产生。

类信息存放

在类加载的过程中，各种数据如何存放，涉及到JVM的内存模型。
在C、C++中，内存可以看作一个一个的小格子，需要多少的小格子，格子不需要了还都要程序员手动去管理。在Java中，内存的分配由虚拟机的内存管理模块管理，不需要手动去分配和回收。
虚拟机对内存分区是为了简化内存分配和回收这两个过程。
运行时数据区域由以下几个部分构成：
线程共享的区域：

方法区

类被加载后，类信息、常量、静态变量等数据存放到这个区域，反射机制所获取的类的信息就存放在这个区域。对此区域的内存回收比较少见，主要设计到常量池的回收和类型的卸载，回收的效率通常比较低。
运行时常量池是方法区的一部分，主要用来存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

堆

堆是虚拟机所管理内存中最大的一块，也是垃圾收集的主要场所，几乎所有的对象实例都在堆上分配内存。

线程私有的内存区域：

程序计数器

虚拟机通过线程轮流切换并分配处理器执行时间来实现多线程操作，在线程不断切换的过程中，每个线程要记住线程恢复后的执行位置即下一条需要执行的指令，因此这个内存区域是线程私有的。

虚拟机栈

虚拟机栈保存的是Java方法的内存模型，和Java方法相关的信息以一个栈帧的形式保存，每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。为线程私有，与线程的生命周期相同。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈作用相似，区别在于虚拟机栈为字节码服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Navtive方法服务。

内存回收

在类的加载过程中，虚拟机给它们分配了大量的内存，如果不进行内存回收，注定导致内存溢出。
由于线程私有的内存区域（程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈）生命周期和线程相同，它们的内存分配和回收都有确定性。因此垃圾回收主要考虑的是对堆和方法区的回收，这两个区域内存的分配和回收都是动态的。
如何去判断堆中的对象是否该被回收是垃圾回收的核心。

• 引用计数算法
  有引用，计数器值加1，引用失效，计数器值减1
  存在对象之间循环引用的问题，导致内存无法被回收。
• 可达性分析算法

垃圾回收算法

1. 标记-清除算法
   标记所有需要回收的对象，然后统一回收。
   缺点： 标记和清除两个过程效率都不高，产生大量不连续的内存碎片
2. 复制算法（新生代）
   将内存分为两块，每次只使用其中的一块，当一块的内存使用完了，将还存活的对象复制到另一块上去，为主流商业虚拟机采用回收新生代。
   缺点：可利用空间减小
3. 标记-整理算法（老年代）
   老年代因为对象存活率较高，使用复制算法效率较低，据此，有人提标记-整理算法，标记过程与标记-清除算法相似，只是后续将存活的对象向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

垃圾回收器

目前商用的虚拟机将内存分为新生代和老年代，以HotSpot虚拟机（JDK1.7）为例，根据各个年代的特点和是否多线程的不同，借助七个不同的垃圾收集器来合理的回收内存。

• Serial收集器
  单线程收集器，在垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束，Client模式下（C1编译，即将字节码简易编译为机器码）默认新生代收集器
• ParNew收集器
  Serial收集器的多线程版本，虚拟机Server模式（C2编译，在字节码向机器码编译的过程中启用较多的优化）新生代默认收集器
• Parallel Scavenge 收集器
  与CMS等收集器追求缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间不同，Parallel Scavenge收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量，即减少垃圾收集的总时间。因此该收集器也被称为“吞吐量优先”收集器。
• Serial Old收集器
  Serial的老年代版本，单线程收集器，使用标记-整理算法
• Parallel Old收集器
  配合Parall Scavenge使用，在此收集器之前，Parallel Scavenge 收集器只能搭配Serial Old使用，无法与CMS收集器配合，此收集齐出现后，“吞吐量优先”有了名符其实的组合。
• CMS 收集器
  以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。基于“标记-清除”算法实现，有并发收集、低停顿的优势。
  缺点：

1. 对CPU资源非常敏感
2. 无法处理浮动垃圾
3. 产生大量空间碎片

• G1收集器
  面向服务端应用，在未来作为CMS收集器的替代者
  特点：

1. 能够独立管理整个堆
2. 从整体上来看基于标记-清理算法，局部上来看基于复制算法，不会产生内存空间碎片

分配策略

1. 对象优先在新生代Eden分配，在Eden没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC
2. 大对象直接进入老年代，
3. 长期存活的对象将进入老年代，在Eden中出生并经过第一次Minor GC 后仍然存活，并且能被Survivor容纳，将被移动到Survivor空间中，每熬过一次Minor GC ，对象的年龄增加1，HotSpot虚拟机默认达到15岁，将会晋升到老年代中。