【JavaEE】简单了解JVM

目录

一、JVM中的内存区域划分

二、JVM的类加载机制

1、类加载的触发时机

2、双亲委派模型 

1.1、向上委派

1.2、向下委派

三、JVM中的垃圾回收机制（GC）

1、确认垃圾

1.1、引用计数（Java实际上没有使用这个方案，但是Python、PHP采用了）

1.1.1、循环引用 

1.2、可达性分析（被Java采用）

2、释放内存 

2.1、标记清除

2.2、复制算法

2.3、标记整理 

2.4、分代回收

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一、JVM中的内存区域划分

JVM就是一个Java进程，Java进程会从操作系统中申请一大块内存区域，给Java代码使用。这里申请的一大块内存区域又被进一步划分，给出了不同的用途。

1. 堆：存放new出来的对象（也就是说对象中成员变量在堆上）
2. 栈：用来维护方法之间的调用关系（也就是说方法中的局部变量在栈上）
3. 方法区（Java8之前的叫法）/元数据区（Java8开始的叫法）：存放的是类加载之后的类对象（类名.class）。也就是存在被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据的。

❌❌这里需要明确的一点，我们在网上看到的有些资料中，说到内置类型的变量是在栈上，引用类型的变量是在栈上。这个说法是错误的。

• 这里变量在堆上还是在栈上，与这个变量是什么类型无关，如果你在类中定义了一个内置类型的变量，通过new关键字，创建这个类的对象，那么这个内置类型的变量，就是在堆上。
• 判断一个变量在堆上还是在栈上，需要关注的是这个变量是局部变量还是在成员变量，如果是局部变量则这个变量在栈上。如果是成员变量则这个变量在堆上。

public class Test{
    public int a;
    public String b;
}
class Test1{
    public static void main(String[] args){
        Test s = new Test();
    }
}
//通过上述的代码，可以看见定义的int类型的变量a是一个内置类型的变量,但是他是一个成员变量，所以它在堆上。
//在main方法中的s变量是对象的引用，他是一个引用类型的变量，他在main方法内部是一个局部变量，所以变量s在栈上。

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1. 虚拟机栈：早期也叫Java栈，每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧，对应这一次次的Java方法调用。虚拟机栈是给Java代码使用的。主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量。部分结果，并参与方法的调用和返回。
2. 本地方法栈：是给jvm内部的本地方法使用的。（jvm内部是通过C++代码实现的方法）。
3. 程序计数器：是用来记录当前程序执行到那个字节码指令了。

堆和元数据区(方法区)在一个JVM进程中只有一份。但是栈（本地方法栈和虚拟机栈）和程序计数器则是存在多份，每个线程中都会存在一份（栈和程序计数器）。

二、JVM的类加载机制

把.class文件加载到内存得到类对象的过程称为类加载。因为程序要执行，就需要把依赖的"指令和数据"加载到内存中。类加载的过程有5个步骤：加载、验证、准备、解析、初始化。

1️⃣加载阶段（Loading）

这个阶段是找到.class文件，并且读取文件内容。这里找class文件的方法中最常问到的是双亲委派模型。

2️⃣验证阶段（Verification）

这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

3️⃣准备阶段（Preparation）

给类对象分配内存空间，这里分配的内存空间是未初始化的空间，内存空间中的数据是全0的。

4️⃣解析阶段（Resolution）

针对字符串常量进行初始化。也就是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

• 符号引用：字符串常量本身在class文件中存在，但是因为他是在文件中，还没有在内存中，并不直到自己的地址，只能使用一些特殊符号来占位。这就得到了符号引用。
• 直接引用：将字符串常量加载到了内存中，就会把字符串常量填充到内存中的特定地址上，但是字符串在内存中的相对位置与class文件中相对位置还是不变的。

5️⃣初始化阶段（Initialization）

针对类对象进行初始化。初始化静态成员变量、执行静态代码块、如果一个类存在父类，还需要加载父类。

1、类加载的触发时机

类加载不是JVM一启动，就会把所有的.class文件都在加载了，他是一个"懒加载"的策略，也就是非必要不加载。

只有在下面的情况下才会触发类加载

1. 创建了这个类的实例，这个时候就会触发类加载
2. 虽然没有创建这个类的实例，但是使用了这个类的静态方法或者静态属性就会触发类加载
3. 使用子类，会触发父类的加载

2、双亲委派模型 

双亲委派模型正对的是Java虚拟机中三个类加载器的，这三个加载器分别是：

• 启动类加载器（BootStrap ClassLoader）:负责加载Java标准库中的类
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）:负责加载一些非标准库的类，是由Sun/Oracle扩展的库的类。（因为Java最初是是属于Sun公司的但是最后被Oracle公司收购）
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）:负责加载项目中自己写的类以及第三方库中的类。

 当具体加载一个类的时候，它的过程是：需要先给定一个类的权限定类名"java.lang.String"(字符串)。然后是向上委派，在然后是向下委派

1.1、向上委派

然后从Application ClassLoader这个类加载器开始，收到类加载的请求后，不会自己记载这个类，而是把这个类加载请求向上委派给它的父类去完成，父类收到这个请求后又继续向上委派给自己的父类，一次类推，直到所有的请求委派到启动类加载器中。

1.2、向下委派

BootStrap ClassLoader接收到类加载请求后，先是在自己负责的范围内查找，如果搜索到，就直接进行后续加载步骤（验证、准备、解析、初始化），如果没有搜索到这个类，父类会把这个信息返回交给孩子（Extension ClassLoader）来处理，直到这个请求被成功加载，但是一直到自定义加载器都没有找到，JVM就会抛出ClassNotFund异常

 

三、JVM中的垃圾回收机制（GC）

JVM的垃圾回收机制是帮助程序员自动释放内存的。内存释放这是一个比较难把控的事情，因为申请内存的时机是明确的，使用到了就必须申请，释放的时候是模糊的，彻底不使用了才能释放。这就特别依赖程序员的水平，就像C/C++程序员他们释放内存就需要自己手动释放。但是Java通过JVM自动判定，基于一系列策略，就可以让这个准确性比较高。这里我们说的释放内存空间指的就是释放堆上的申请的空间。

垃圾回收主要分为两个阶段：

1. 确认垃圾：找没有被引用的对象
2. 释放垃圾：将找到的对象释放掉 

如何判断一个对象是否有引用指向，这里有两个方法：引用计数和可达性分析。

1、确认垃圾

1.1、引用计数（Java实际上没有使用这个方案，但是Python、PHP采用了）

 

✨这个引用计数的方法存在两个缺陷。

1. 浪费内存空间，空间利用率不高，引用计数占用内存空间。
2. 存在循环引用的情况 ，会导致引用计数的判断逻辑出错

1.1.1、循环引用 

当new了两个对象，正常情况下两个对象的引用各自指向引用的对象，但是这个两个对象中的成员变量相互指向对方对象，这个时候，两个对象中的计数器在各自加1.

 这个时候，t和t1不在指向之前的引用，两个对象的引用计数都减1，但是这两个对象的引用计数并没有被清空，实际上这两个对象已经不被使用了，但是无法被当作垃圾，无法释放。这两个对象也无法再次被使用，想要使用一个对象，就需要找到另一个对象，这就在逻辑上形成了循环。

1.2、可达性分析（被Java采用）

把对象之间的引用关系理解成了一个树形结构，从一些特殊的起点出发，进行遍历，只要能遍历访问到的对象，就是"可达的"，再把"不可达的"当作垃圾即可。

 ✨可达性分析的关键要点，进行上述遍历，需要有"起点"被称为gcroots

1. 栈上的局部变量（每个栈的每个局部变量，都是起点）
2. 常量池中引用的对象
3. 方法区中，静态成员引用的对象

可达性分析，总的来所，就是从所有的gcroots的起点出发，看看该对象里又通过引用能访问那些对象，依次遍历，把所有可以访问的对象都给遍历一遍（遍历的同时把对象标记成"可达"），剩下的遍历不到的对象就是"不可达".

可达性分析的特点：可达性分析克服了引用计数的两个缺点，但是也有自己的问题

1. 消耗的时间更多，因此某个对象成了垃圾，也不一定能第一时间发现，因为扫描的过程，需要消耗时间
2. 在进行可达性分析的时候，依次遍历，一旦这个过程中，当前代码中的对象引用关系发生了变化，这就会使情况变得更加复杂。比如，当一个对象指向下一个对象，刚遍历完这个对象，这个对象的引用变了。因此，我们为了更准确的遍历，需要让其他的业务线程暂停工作（STW问题）。

2、释放内存 

这里存在三个典型的策略：

1. 标记清除
2. 复制算法
3. 标记整理
4. 分代回收

前三种释放内存的方式都存在一定的缺点，所以实际上JVM的实现思路，是结合了上述的几种思想方法。

2.1、标记清除

这种策略，就是直接把垃圾对象的内存释放，但是这个方式的缺点就是会产生内存碎片。

我们从内存中申请空间的时候，都是整块的连续的空间，现在这里空闲的空间是离散的，独立的空间，总的空间可能很大。假如总的空闲的空间可能超过了1G，但是你想申请500MB可能都不一定申请到。

2.2、复制算法

为了解决内存碎片的问题，又引入了复制算法。复制算法，十八整个内存空间，分成两半，一次只用一半。

 复制算法解决了内存碎片化的问题，但是也有缺点

1. 内存利用率比较低
2. 如果当前的对象大部分都是要留的，垃圾很少，此时复制成本就比较高

2.3、标记整理 

 这个方法，也可以结局内存碎片化的问题，但是他的搬运开销还是比较大的。

2.4、分代回收

针对不同的情况，使用不同的策略。给对象设定"年龄"这样的概念（当然这个单位并不是年龄，这里用年龄作为类比），描述了这个对象存在多久了，如果一个对象刚创建，认为是0岁，没经过一轮扫描（可达性分析），没有被标记成垃圾，这个时候对象就涨一岁，通过这个年龄来区分这个对象的存活时间。

根据年龄的大小来区分采用什么样的策略 

 

1. 新城建的对象，放到伊甸区，当垃圾回收扫描到伊甸区之后，绝大部分对象都会在第一轮GC中被回收
2. 如果伊甸区的对象，在第一轮的GC中没有被回收，就会通过复制算法，拷贝到幸存区，幸存区分成了大小均等的两部分，一次只使用其中的一半。垃圾回收扫描幸存区的对象，发现垃圾，通过复制算法，将不是垃圾的对象复制到生存区的另一半空间中，然后将前一半的空间全部释放。
3. 当这个对象在生存区，经过了若干轮GC之后，年龄增长到一定的程度，就会通过复制算法拷贝到到年代。
4. 进入老年代的对象，年龄都很大了，在消亡的概率就比前面的新生代中的对象小了很多，针对老年代GC的扫描频次就会降低很多。如果老年代中出现了垃圾对象，就会使用标记整理的算法进行清理，因为老年代中消亡的对象就很少了，所以使用标记整理的算法开销还不是很大。
5. 特殊情况：如果对象非常大，直接进入老年代（大对象进行复制算法，成本比较高，而且大对象也不是很多）

根据经验规律：如果一个对象存活的时间很长了，他将继续存在更长的时间。