Java开发基础技术（一）

1、JVM内存模型

1.1 程序计数器(Program Counter Register)

• 记录每个线程执行位置，线程私有的。

1.2 java虚拟机栈(VM Stack)

• 生命周期同线程同步，线程创建的同时创建一个虚拟机栈，其中存放栈帧，方法调用对应压栈出栈的过程。
• 栈帧分为几个区域：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。
• 线程私有的。

1.3 本地方法栈(Native Method Stack)

• 功能类似java虚拟机栈，调用本地方法服务（native）是使用，线程私有。

1.4 堆(Heap)

• 在虚拟机启动时创建，用于对象创建实例（new Object）时分配内存空间。
• 分为新生代（Young）、老生代（Old），GC垃圾回收主要目标区。
• 非线程私有，线程共享。

1.5 方法区

• 存放虚拟机加载的类元数据信息（元空间）、常量、静态变量等。
• 也可被划分为堆的一个逻辑部分，习惯叫永久代（Perm），很少发生垃圾回收，但常量池回收、类型卸载等可能导致垃圾回收。
• 非线程私有，线程共享。
• Java8中已经没有方法区，取而代之的是元空间（Metaspace）。

1.6 直接内存

• 非JVM规范的定义。
• NIO中的ByteBuffer对象的方法allocateDirect(int capacity)，可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过Java堆里面的DirectByteBuffer对象引用进行操作。

2、GC垃圾回收

2.1 Java中对象引用类型

• 强引用：Java中普遍的引用关系，如Object o = new Object()。
• 软引用：SoftReference类实现软引用，只在内存不足时，被GC处理。
• 弱引用：WeekReference类实现弱引用，无论内存是否充足，下一次GC时处理。
• 虚引用：PhantomReference类实现，无法通过虚引用获取实例对象，只用于GC时收到系统通知。

2.2 标记阶段算法

2.2.1、引用计数算法（Reference Counting Collector）

• 每个对象都有一个计数器，对象每被引用一次，计数器+1，引用失效时，计数器-1，计数器为0时标记回收。
• 优点：执行简单，判断效率高。
• 缺点：无法检测出循环引用关系。

2.2.2、根搜索法（Tracing Collector）

• 从所有GC Roots对象向下递归查找引用链，不可达对象标记回收。
• 宣告一个对象死亡，至少要经过2次标记。
• 第一次标记后，通过一个低优先级的线程执行对象的finalize()方法，这是最后一次逃脱机会（使对象重新关联到引用链）。

2.3 垃圾回收算法

2.3.1 标记-清除算法

• 分为标记和清除2阶段，通过根搜索法先标记，后统一回收空间。
• 优点：无需进行内存移动，仅对死亡对象进行处理。
• 缺点：（1）效率低，需要额外的空闲列表来记录所有的空闲地址和大小。（2）产生大量内存碎片。

2.3.2 标记-整理算法

• 标记阶段和“标记-清除”算法相同，回收阶段把所有的对象移动到同一端，然后把范围外的空间回收。
• 优点：整理后没有内存碎片，分配新对象空间简单高效。
• 缺点：整理过程中移动对象导致GC占用太多时间。

2.3.3 复制算法

• 把内存分为大小相等的两部分，当A块内存用完，把所有存活对象复制到B块，然后直接回收A块内存。
• 优点：1）标记和复制可同时进行；2）无内存碎片；
• 缺点：浪费一半内存。
• 适合短生存期对象（如：新生代）

2.3.4 分代收集

• 现代虚拟机大多采用这种方式，根据对象生产周期，将堆分成新生代和老生代，新生代对象生存周期端，采用复制算法，老生代使用标记整理 或 标记清除。

2.3.5 Adaptive算法（Adaptive Collector）

• 监测当前堆的使用情况，自动选择合适的算法。

2.4 Java垃圾回收器（GC）

2.4.1 串行垃圾回收器（Serial Garbage Collector）

• 使用单线程执行垃圾回收，同时冻结所有的应用线程（Stop the World，STW）。
• 不适合服务器环境，适合单CPU、暂停时间不敏感、简单的命令行程序。
• 通过-XX:+UseSerialGC可以使用串行垃圾回收器。

2.4.2 并行垃圾回收器（Parallel Garbage Collector）

• 使用多线程执行垃圾回收，同时冻结所有的应用线程。JVM默认使用。
• 优点：使用多线程扫描和压缩堆。
• 缺点：在minor和full GC时都会暂停应用。
• 适合服务器环境，适合多CPU、暂停时间敏感。
• 可用-XX:+UseParallelGC来强制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数。

2.4.3 并发标记扫描垃圾回收器（CMS Garbage Collector）

• 使用多线程，标记并回收内存，特定情况冻结应用线程：
  1） 标记的对象在Tenured区。 2）垃圾回收的同时，堆内存数据被并发的改变。
• 相比并行GC，并发使用更多的CPU来确保吞吐量。
• CMS最大的问题是会产生严重的碎片化，只有在出发FullGC时才会进行碎片整理。
• 对比并行GC，会占用更多的CPU。
• 通过-XX:+USeParNewGC 打开并发标记扫描垃圾回收器。

2.4.4 G1收集器

• 内存大于4G时，G1优先考虑使用，它是JDK7u4引入的，G1把堆分成1M到32M的多个区域，使用多个后台线程来扫描，优先扫描最多垃圾的区域（垃圾优先Garbage First），在处理的同时会进行碎片整理。
• 如果在后台线程完成扫描前堆内存耗光，才会进行STW收集。

2.5 堆内存分配

• 对象在堆上分配，主要在Eden上分配，如启用线程本地分配缓存机制，在TLAB上先分配，少数情况也直接分配在老年代中。
• 当Eden满时，发起一次MinorGC（新生代GC)，把Eden和S1复制到S2，然后清理Eden和S1（S1和S2是相对的），如果S2不足以存放存活对象，则提前复制到老年代。
• 大对象直接进入老年代，可通过-XX:PretenureSizeThreshold配置，大对象需要连续空间分配，过多的大对象导致频繁GC，应避免。
• 长期存活对象进入老年代，经过多次MinorGC增加年龄，可通过-XX:MaxTenuringThreshold配置，默认为15岁。
• JDK8中，方法区（永久代）被删除，取而代之的是类元数据区（Class Metadata）
  1）类元数据直接在本地内存分配，不在JVM中，理论上只受物理内存大小限制，也可通过-XX:MaxMetaspaceSize参数设置，默认无限制。
  2）部分数据转移到heap中，如字面量、静态变量

3、类的加载过程

定义：JVM把class文件读取到内存中，经过校验、解析转换、初始化，在方法区和堆上面分配内存，形成可以被JVM使用的类型的过程。

3.1 加载

• 执行动作：
  1）类加载器通过类的全路径限定名读取类的二进制字节流。
  2）将字节流代表的类结构转化到 JVM方法区 中。
  3）在 JVM堆 上生成代表该类的java.lang.Class实例。
• 类加载器
  可以使用jvm自带加载器，也可以自定义加载器，不同的加载器从不同地方读取字节流：jar包、class文件、网络流等。
  同一个类加载器加载后的同源类，才是同类，instanceof 返回 true.
• 类加载的双亲委派模型
  类加载器优先使用父加载器来加载，如果没有才自己加载。这样可以保持java类型的一致性，优先使用JDK的类加载器
• 4种类加载器
  1）启动类加载器（JVM bootstrap Loader），JVM的一部分，负责JAVA_HOME/lib下的类的加载
  2）扩展类加载器（Extension Loader），负责JAVA_HOME/lib/ext和java.ext.dir目录下类加载。
  3）应用系统类加载器（Application System Loader），负责加载用户类路径下的类库，如果没有使用自定义的加载器，这就是默认的类加载器了。
  4）自定义加载器

3.2 验证

• 加载和验证是交叉执行的，验证内容主要包括：
  1）文件格式：符合class文件格式，才能在 方法区 分配内存。
  2）元数据：符合java语言规范。
  3）字节码：数据流和控制流分析验证。
  4）符号引用：符号引用转换为直接引用，对自身以外引用的可访问性验证。

3.3 准备

• 在方法区给static类变量分配内存，并 零值初始化。

3.4 解析

• 常量池内的 符号引用 替换为 直接引用。

3.5 初始化

• 真正开始执行java代码，static静态变量赋值为代码设定的值。
• 只有以下5中主动引用，才会触发初始化的发生，其他类的引用称为被动引用，不会触发初始化：
  1）new 对象。
  2）访问static字段和static方法。
  3）使用反射调用未初始化过的类。
  4）初始化子类，需优先初始化父类。
  5）启动main方法所在的类时，jvm优先初始化该类。
• 继承情况下的初始化顺序
  1）父类的static变量和块，按出现顺序
  2）子类的static变量和块，按出现顺序
  3）父类构造函数
  4）子类构造函数

4、Java对象生命周期

4.1 创建

• 分配空间，构造对象
• 先父类后子类，对static成员初始化。
• 父类成员变量按顺序初始化，递归调用父类构造方法。
• 子类成员变量按顺序初始化，调用子类构造方法。

4.2 应用

• 至少被一个强引用，并且在作用域内。

4.3 不可见

• 程序不再持有对象的强引用，但这些引用还存在着，一般具体是程序的执行超出作用域了。

4.4 不可达

• 不在被任何强引用
• 可能还被某些JVM线程，或jni所有，这些特殊的强引用成为GC Root，容易导致内存泄漏，无法被回收。

4.5 回收

• 对象不可达，GC回收阶段。
• 如果重写了finazlie()方法，可能导致对象复活，尽量不要重写此方法。

4.6 终结

• 对象执行完finazlie()方法后，仍处于不可达状态，进入终结阶段，等待GC回收。

4.7 空间重新分配

• 空间重新被分配，对象彻底消失。