JavaEE核心【JVM 的作用、类加载器、JVM内存模型、GC回收机制】

1、JVM的作用

        JVM是Java Virtual Machine的缩写。我们安装的JDK中包含了JRE，在JRE中，包含了java的虚拟机和核心类库，如果想要运行java程序，则需要上述的JRE环境。

        java是一门高级程序语言，直接运行在硬件上并不现实，所以要在运行之前，需要对其进行一些转换。

转换过程：通过编译器将java程序转换成虚拟机能识别的指令序列，也叫做java字节码。java虚拟机会将字节码文件（.class文件）加载到JVM中，由JVM进行解释和执行。

        JVM运行在操作系统之上，与硬件没有直接的交互。

 2、类加载器

        类加载器（ClassLoad），负责加载class文件，经过类加载器加载并初始化之后，会得到Class，实例化对象的时候会参考Class。如Person.class经过ClassLoad加载初始化后，会得到Person Class，之后每次实例化对象的时候，都会参考Person Class。

        类加载器的分类

        启动类加载器（Bootstrap）：主要负责加载jre中的最为基础、最为重要的类。如$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar等。它由C++代码实现，没有对应的java对象，因此在java中，尝试获取此类时，只能使用null来指代。

        扩展类加载器（Extension）：由Java代码实现，用于加载相对次要、但又通用的类，比如存放在 JRE 的 lib/ext 目录下 jar 包中的类。

        应用程序类加载器（AppClassLoad）：由Java代码实现， 它负责加载应用程序路径下的类。比如Person.java，Car.java等程序员自定义的类。

        用户自定义加载器。

        其中Bootstrap是Extension的父类加载器，Extension是AppClassLoad的父类加载器。

        双亲委派机制

        每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器（在此加载器中如果还有父类加载器，依旧向上请求）。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会向下尝试去加载。在AppClassLoad中仍然没有找到所请求的类，会抛出ClassNotFound异常。当子类和父类同时有相同的类时，由双亲委派机制决定，会优先使用父类的。

        好处：

        通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次

         防止java核心api中定义类型不会被用户恶意替换和篡改，从而引发错误。

3、JVM内存模型

        （1）Execution Engine：执行引擎（Execution Engine）负责解释命令，提交操作系统执行。

                当JVM需要调用系统的硬件时，如CPU，硬盘等，需要向操作系统发送命令，但命令操作系统无法理解，这时就需要Execution Engine负责将命令解释并提交给操作系统。

        （2）Native Method Stack：本地方法栈（ Native Method Stack）在每个操作系统内部，都定义了很多本地方法库。这些本地方法库中，定义了很多调用本地操作系统的方法，也称之为本地方法接口。

                当需要执行Native方法时，需要将Native方法压入Native Method Stack，然后向操作系统发送指令，交给执行引擎（Execution Engine） 解释命令，之后调用本地方法接口（Native Interface），调用本地方法接口时又会使用到本地方法库。

        （3）Program Counter Register：程序计数器，也叫PC寄存器，是一个小指针，提示下一个需要执行栈内的哪一个方法。

        （4）Method Area：方法区（Method Area），方法区是被所有线程共享，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区属于共享区间。

                静态变量 + 常量 + 类信息(构造方法/接口定义) + 运行时常量池存在方法区中。

        （5）Stark：栈，栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就结束，生命周期和线程一致，是线程私有的。

                8种基本类型的变量（byte，short，int，double，float，long，char，bool）+ 对象的引用变量 + 实例方法都是在栈内存中分配。

                在栈区域规定了两种异常状态：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，则抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，在扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

                栈帧：一个线程的每个方法在调用时都会在栈上划分一块区域，用于存储方法所需要的变量等信息，这块区域称之为栈帧（stack frame）。栈由多个栈帧构成，好比一部电影由多个帧的画面构成。

                栈运行原理：栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）为载体存在。在栈中，方法的调用顺序遵循“先进后出”/“后进先出”原则。

        （6）堆heap

        堆的逻辑设计：堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块，是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。堆内存的大小是可以调节的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制），一般为物理内存的1 / 64 ，最大为物理内存的1 / 4。在逻辑上可以划分为三部分，新生区（Young Generation Space）、养老区（Tenure generation space）、永久区（Permanent Space），永久区在JDK1.8后为元空间。

        堆的物理设计：在 Java 中，堆被划分成两个不同的区域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。这样划分的目的是为了使 JVM 能够更好的管理堆内存中的对象，包括内存的分配以及回收。 

                 新生代分为eden区、from和to区，他们是两块大小相等并且可以互换角色的空间（当进行轻量级垃圾回收后仍然存在对象的区称为from区）。绝大多数情况下，新new出来的对象首先分配在eden区，在新生代回收后，如果对象还存活（被引用），则进入from或to区，之后每经过一次新生代回收，如果对象存活则它的年龄就加1，对象达到一定的年龄（默认15）后，则进入老年代，否则进入to区。在新生代进行垃圾回收使用的是轻量级垃圾回收（Minor GC），在老年代中进行的是重量级的垃圾回收（Major GC），当在老年代中无法进行垃圾回收，会触发OOM（OutOfMemory）。

        永久区perm：永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会轻易被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。

        Jdk1.6及之前： 有永久代, 字符串常量池1.6在方法区

        Jdk1.7：            有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池1.7在堆

        Jdk1.8及之后： 无永久代，用元空间替代

4、GC

        JVM中的Garbage Collection，简称GC，它会不定时去堆内存中清理不可达（没有被引用）对象。

        GC分类：                

                JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。因此GC按照回收的区域又分了两种类型，一种是普通GC（minor GC），一种是全局GC（major GC or Full GC），

　　        新生代GC（minor GC）：只针对新生代区域的GC。

              老年代GC（major GC or Full GC）：针对老年代的GC，偶尔伴随对新生代的GC以及对永久代的GC。

             Minor GC触发机制：当年轻代满时就会触发Minor GC，这里的年轻代满指的是Eden区满，Survivor满不会引发GC。

               Full GC触发机制：当年老代满时会引发Full GC，Full GC将会同时回收年轻代、年老代，当永久代满时也会引发Full GC，会导致Class、Method元信息的卸载。

        GC工作特点：理论上GC过程中会频繁收集Young区，很少收集Old区，基本不动Perm区（元空间/方法区）。

        标记不可达对象的引用计数法：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加１；当引用失效时，计数器值减1.任何时刻计数器值为0的对象就是不可能再被使用的。引用计数法就是如果一个对象没有被任何引用指向，则可视之为垃圾。这种方法的缺点就是不能检测到循环指向的存在。主流的Java虚拟机里面都没有选用引用计数算法来管理内存。

        标记不可达对象的可达性分析（GC Roots算法）：根搜索算法的基本思路就是通过一系列名为”GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)，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。

        垃圾回收的三种方式： 

                清除：把死亡对象所占据的内存标记为空闲内存，并记录在一个空闲列表（free list）之中。当需要新建对象时，内存管理模块便会从该空闲列表中寻找空闲内存，并划分给新建的对象。清除这种回收方式的原理及其简单，但是有两个缺点。一是会造成内存碎片。由于 Java 虚拟机的堆中对象必须是连续分布的，因此可能出现总空闲内存足够，但是无法分配的极端情况。另一个则是分配效率较低。如果是一块连续的内存空间，那么我们可以通过指针加法（pointer bumping）来做分配。而对于空闲列表，Java 虚拟机则需要逐个访问列表中的项，来查找能够放入新建对象的空闲内存。

                压缩：把存活的对象聚集到内存区域的起始位置，从而留下一段连续的内存空间。这种做法能够解决内存碎片化的问题，但代价是压缩算法的性能开销。

                复制：把内存区域分为两等分，分别用两个指针 from 和 to 来维护，并且只是用 from 指针指向的内存区域来分配内存。当发生垃圾回收时，便把存活的对象复制到 to 指针指向的内存区域中，并且交换 from 指针和 to 指针的内容。复制这种回收方式同样能够解决内存碎片化的问题，但是它的缺点也极其明显，即堆空间的使用效率极其低下。复制必交换，谁空谁为to。

                总结：回收死亡对象的内存共有三种方式，分别会造成内存碎片的清除、性能开销较大的压缩、以及堆使用效率较低的复制。当然，现代的垃圾回收器往往会综合上述几种回收方式，综合它们优点的同时规避它们的缺点。

        垃圾回收四大算法：

                标记复制(Mark-Copying)算法：

                当我们调用 new 指令时，它会在 Eden 区中划出一块作为存储对象的内存。当 Eden 区的空间耗尽了， Java 虚拟机便会触发一次 Minor GC，来收集新生代的垃圾。存活下来的对象，则会被送到 Survivor 区。

                新生代共有两个 Survivor 区，我们分别用 from 和 to 来指代。其中 to 指向的 Survivior 区是空的。当发生 Minor GC 时，Eden 区和 from 指向的 Survivor 区中的存活对象会被复制到 to 指向的 Survivor 区中，然后交换 from 和 to 指针，以保证下一次 Minor GC 时，to 指向的 Survivor 区还是空的。

                Java 虚拟机会记录 Survivor 区中的对象一共被来回复制了几次。如果一个对象被复制的次数为 15（对应虚拟机参数 -XX:+MaxTenuringThreshold），那么该对象将被晋升（promote）至老年代。另外，如果单个 Survivor 区已经被占用了 50%（对应虚拟机参数 -XX:TargetSurvivorRatio），那么较高复制次数的对象也会被晋升至老年代。

                万一存活对象数量比较多，那么To域的内存可能不够存放，这个时候会借助老年代的空间。

                因此Minor GC使用的则是标记-复制算法。将 Survivor 区中的老存活对象晋升到老年代，然后将剩下的存活对象和 Eden 区的存活对象复制到另一个 Survivor 区中。理想情况下，Eden 区中的对象基本都死亡了，那么需要复制的数据将非常少，因此采用这种标记 - 复制算法的效果极好。

                标记清除(Mark-Sweep)算法：                

                老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。标记清除算法一般应用于老年代,因为老年代的对象生命周期比较长。该算法先对所有可访问的对象，做个标记再遍历堆，把未被标记的对象回收（标记活的）。                

                缺点：回收时，应用需要挂起，也就是stop the world，导致用户体验极差。由于需要遍历全堆对象，效率比较低（递归与全堆对象遍历）。造成内存碎片化。

                标记压缩(Mark--Compact)算法：

                标记清除算法和标记压缩算法非常相同，但是标记压缩算法在标记清除算法之上解决内存碎片化，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。但效率低，压缩阶段，由于移动了可用对象，需要去更新引用。

                标记清除压缩(Mark-Sweep-Compact)算法：

                标记清除压缩(Mark-Sweep-Compact)算法是标记清除算法和标记压缩算法的结合算法。其原理和标记清除算法一致，只不过会在多次GC后，进行一次Compact操作！