【Java高级】JVM内存区域模型和加载过程

JVM内存区域模型

   1.方法区

也称"永久代” 、“非堆”，  它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、是各个线程共享的内存区域。默认最小值为16MB，最大值为64MB，可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。

运行时常量池：是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器生成的各种符号引用，这部分内容将在类加载后放到方法区的运行时常量池中。

    2.虚拟机栈

描述的是java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候 都会创建一个“栈帧”用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。声明周期与线程相同，是线程私有的。

 局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针，并非对象本身)，其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间，其余数据类型只占1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的，在运行期间栈帧不会改变局部变量表的大小空间。

      3.本地方法栈

 与虚拟机栈基本类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务，而本地方法栈则是为Native方法服务。

      4.堆 

也叫做java 堆、GC堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块内存区域，也是被各个线程共享的内存区域，在JVM启动时创建。该内存区域存放了对象实例及数组(所有new的对象)。其大小通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置，-Xms为JVM启动时申请的最小内存，默认为操作系统物理内存的1/64但小于1G，-Xmx为JVM可申请的最大内存，默认为物理内存的1/4但小于1G，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRation=来指定这个比列；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小heap的大小到-Xms指定的大小，可通过XX:MaxHeapFreeRation=来指定这个比列，对于运行系统，为避免在运行时频繁调整Heap的大小，通常-Xms与-Xmx的值设成一样。

（Java GC、新生代、老年代）

由于现在收集器都是采用分代收集算法，堆被划分为新生代和老年代。新生代主要存储新创建的对象和尚未进入老年代的对象。老年代存储经过多次新生代GC(Minor GC)任然存活的对象。

     新生代：

 程序新创建的对象都是从新生代分配内存，新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space(通常又称S0和S1或From和To)构成，可通过-Xmn参数来指定新生代的大小，也可以通过-XX:SurvivorRation来调整Eden Space及Survivor Space的大小。

     老年代：

用于存放经过多次新生代GC任然存活的对象，例如缓存对象，新建的对象也有可能直接进入老年代，主要有两种情况：①.大对象，可通过启动参数设置-XX:PretenureSizeThreshold=1024(单位为字节，默认为0)来代表超过多大时就不在新生代分配，而是直接在老年代分配。②.大的数组对象，切数组中无引用外部对象。

老年代所占的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

      5.程序计数器 

是最小的一块内存区域，它的作用是当前线程所执行的字节码的行号指示器，在虚拟机的模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖计数器完成。

JVM加载过程

 Java语言中，类只有被加载到JVM中才能运行，当运行指定的java程序时，JVM会将编译生成的 .class文件按照一定的规则加载到内存中，并组织成为一个完整的应用程序。类的加载过程是由类加载器完成的（即由ClassLoader和它的子类完成），而类加载器本身也是一个类，其实质是将类文件由硬盘加载到内存中。

  类的加载方式有两种：

（1）显式加载

   通过调用class.forName()方法将所需的类加载到JVM中

（2）隐式加载

   程序在创建新的对象时，隐式地调用类加载器把对应的类加载到JVM中

  在java语言中，类的加载是动态且灵活的，往往一个大的项目包含很多类，而每一个类或接口都对应一个.class文件，当程序运行时只需要将需要的类（保证程序运行的基础类，例如基类）加载到JVM中，暂时不需要的类可以先不加载，这样一方面可以提高运行速度，另一方面也可以降低程序运行时对内存的开销。而且，每一个类文件都可以看成是动态的加载单元，当项目需要对某个类进行修改时，修改完毕后只需要重新编译加载被修改的类即可，而不用全部的类都重新进行编译。

  类可以分为三种：系统类、扩展类、自定义类，而java根据不同的类提供了不同的类加载器

       Bootstrap Loader             <==加载系统类（jre/lib/rt.jar的类）

              ↘

              ExtClassLoader        <==加载扩展类（jar/lib/etc/*.jar的类）

                  ↘

                  AppClassLoader    <==加载应用类（classpath指定的目录或jar中的类）

  具体步骤：

（1）首先java.exe会找到JRE，并且找到位于JRE内部的jvm.dll，这才是真正的java虚拟机，然后加载到动态库，激活java虚拟机。

（2）进行初始化操作，结束之后产生Bootstrap Loader启动类加载器

（3）Bootstrap Loader除了进行一些基本的初始化动作外，最重要的是加载ExtClassLoader扩展类加载器，并且设定其Parent为null，也就代表其父加载器为Bootstrap Loader

（4）然后Bootstrap Loader再要求加载Launcher.java中的AppClassLoader(自定义类加载器)，并设定其Parent为ExtClassLoader实体，这两个加载器都是以静态类的形式存在的。

※需要注意的是，其实parent是谁跟被谁加载的并没有直接关系

我们可以测试一下：

package test; public class classloader {    public static void main(String[] args)    throws Exception{        ClassLoader App = classloader.class.getClassLoader();//class加载器        System.out.println(App);        ClassLoader Ext = App.getParent();//上一层加载器        System.out.println(Ext);        ClassLoader Boot = Ext.getParent();//根部加载器        System.out.println(Boot);    } }

运行结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@39579371
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2490fd20
null

Bootstrap Loader输出null的原因是它是由C++语言实现的，所以在java语言中看不到

程序说明classloader这个类是由AppClassLoader加载的

  类的加载主要有三步：

（1）装载：根据查找路径找到相应的class文件并导入

（2）链接：检查class文件是否正确-->给类中的静态变量分配存储空间-->将符号引用转换成直接引用

（3）初始化：静态变量和静态代码块的初始化操作

  双亲委托机制：

  双亲委托模式也就是一个类加载器请求另一个类加载器来加载类型的过程。

  除启动类加载器以外的每一个类加载器，都有一个“双亲”类加载器 ，在某个特定的类加载器试图以常用方式加载某个类以前，它会先默认地将这个任务“委派”给它的双亲，请求它的双亲来加载这个类。这个双亲再依次请求它自己的双亲来加载这个类型。这个委派的过程一直向上继续，直到达到启动类加载器，通常启动类加载器是委派链中的最后一个类加载器。如果一个类加载器的双亲类加载器有能力来加载这个类型。则这个类加载器返回这个类型。否则，这个类加载器试图自己来加载这个类。
  当一个程序运行时，虚拟机在启动时实例化了两个用户自定义类加载器:一个“扩展类加载器”,一个“自定义类加载器”.这些类装载器和启动类加载器一起联入一个Parent-Child委托链中,启动类加载器在最顶端。