JVM 类加载和垃圾回收

1. 类加载

1.1 类加载过程

对应一个类来说, 它的生命周期是这样的:

其中前 5 步是固定的顺序并且也是类加载的过程，其中中间的 3 步我们都属于连接，所以对于类加载来说总共分为以下几个步骤：

1. 加载
   “加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，它和类加载 Class Loading 是不同的，一个是加载 Loading 另一个是类加载 Class Loading，所以不要把二者搞混了。
   在加载 Loading 阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：
   1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
   2）将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
   3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
2. 连接
   1. 验证
   验证是连接阶段的第一步，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。
   需要验证的有: 文件格式, 验证字节码验证, 符号引用验证…
   2. 准备
   准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。(将变量初始化为0, 在初始化阶段在赋值为代码中给定的初始值)
   3. 解析
   解析阶段是 Java 虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，也就是初始化常量的过程。
   在类加载之前, 字符串常量是保存在.class文件中, 此时的引用记录的是文件中的偏移量, 并不是字符串真正的地址. 类加载之后才真正把字符串常量放到内存中, 这个引用才能真正赋值成内存地址.
3. 初始化
   初始化阶段，Java 虚拟机真正开始执行类中编写的 Java 程序代码，将主导权移交给应用程序。初始化阶段就是执行类构造器方法的过程。

1.2 双亲委派模型

什么是双亲委派模型?
如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

双亲委派模型的优点

1. 避免重复加载类：比如 A 类和 B 类都有一个父类 C 类，那么当 A 启动时就会将 C 类加载起来，那么在 B 类进行加载时就不需要在重复加载 C 类了。
2. 安全性：使用双亲委派模型也可以保证了 Java 的核心 API 型，而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题，比如我们编写一个称为java.lang.Object 类的话，那么程序运行的时候，系统就会出现多个不同的 Object 类，而有些 Object 类又是用户自己提供的因此安全性就不能得到保证了。

2. 垃圾回收机制

Java堆中存放着几乎所有的对象实例，垃圾回收器在对堆进行垃圾回收前，首先要判断这些对象哪些还存活，哪些已经"死去"。判断对象是否已"死"有如下几种算法:

2.1 死亡对象的判断算法

1. 引用计数法
   引用计数描述的算法为:
   给对象增加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就+1；当引用失效时，计数器就-1；任何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的，即对象已"死"。
   引用计数法实现简单，判定效率也比较高，在大部分情况下都是一个不错的算法。比如Python语言就采用引用计数法进行内存管理。
   但是，在主流的JVM中没有选用引用计数法来管理内存，最主要的原因就是引用计数法无法解决对象的循环引用问题
   如下图所示:
   
   a 和 b 分别创造一个对象的实例, 此时两个对象的引用计数为 1 ,然后两个变量在指向对方引用计数就变成了 2 , 但是当这两个变量释放时引用计数 -1 就变成了 1 ,但是此时这两个变量已经没用了, 由于引用计数还是为 1 并不会被回收, 所以就会造成垃圾回收不及时.

2. 可达性分析算法
   在上面我们讲了，Java并不采用引用计数法来判断对象是否已"死"，而采用"可达性分析"来判断对象是否存活(同样采用此法的还有C#、Lisp-最早的一门采用动态内存分配的语言)。此算法的核心思想为 : 通过一系列称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称之为"引用链"，当一个对象到GC Roots没有任何的引用链相连时(从GC Roots到这个对象不可达)时，证明此对象是不可用的。以下图为例：
   
   e 这个对象从 root 不可达, 因此会被视为垃圾被回收掉.

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包含下面几种:

1. 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象；
2. 方法区中类静态属性引用的对象；
3. 方法区中常量引用的对象；
4. 本地方法栈中 JNI(Native方法)引用的对象。

从上面我们可以看出“引用”的功能，除了最早我们使用它（引用）来查找对象，现在我们还可以使用“引用”来判断死亡对象了。所以在 JDK1.2时，Java 对引用的概念做了扩充，将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)和虚引用(PhantomReference)四种，这四种引用的强度依次递减。

2.2 垃圾回收算法

通过上面的学习我们可以将死亡对象标记出来了，标记出来之后我们就可以进行垃圾回收操作了，在正式学习垃圾收集器之前，我们先看下垃圾回收机器使用的几种算法（这些算法是垃圾收集器的指导思想）。

1. 标记清除法
   "标记-清除"算法是最基础的收集算法。算法分为"标记"和"清除"两个阶段 : 如下图所示:
   
   首先标记出所有需要回收的对象，然后在标记完成后统一回收所有被标记的对象.
   这个方法存在两个重要问题:

   1. 效率问题 : 标记和清除这两个过程的效率都不高
   2. 空间问题 : 标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行中需要分配较大对象时，无法找到足够连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集。

2. 复制算法
   "复制"算法是为了解决"标记-清理"的效率问题。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这块内存需要进行垃圾回收时，会将此区域还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内存区域一次清理掉。这样做的好处是每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不需要考虑内存碎片等复杂情况，只需要移动堆顶指针，按顺序分配即可。此算法实现简单，运行高效。算法的执行流程如下图 :
   

3. 分代算法
   分代算法是通过区域划分，实现不同区域和不同的垃圾回收策略，从而实现更好的垃圾回收。这就好比中国的一国两制方针一样，对于不同的情况和地域设置更符合当地的规则，从而实现更好的管理，这就时分代算法的设计思想.如下图所示:
   
   当变量创建时首先存在在伊甸区, 经历过 GC 还存在之后会到新生区然后采用复制算法在两个新生区来回移动, 等经历过较多次数的 GC 依然存在就会转移到老年区, 根据经验判断长时间存在的东西之后也会长时间存在所以老年区的 GC 次数就会减少并且会采用标记-整理算法对垃圾进行回收.