1.java虚拟机执行java程序的过程

Java源代码文件(.java)会被Java编译器编译为字节码文件(.class)，

.class 文件 由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，

加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。

1.1 JVM生命周期

• 启动

启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，
任何一个拥有public static void main(String[] args)* 函数的class都可以作为JVM实例运行的起点。

• 运行

main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。

• 消亡

当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。

1.2 JVM体系结构

1.2.1 类装载器（ClassLoader）（用来装载.class文件）

a. 概述

1. JVM类加载机制：是虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可被虚拟机直接使用的Java类型的过程。
2. 特性：运行期类加载。即在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期完成的，从而通过牺牲一些性能开销来换取Java程序的高度灵活性。
3. java 动态扩展特性是依赖于运行期动态加载和动态连接实现的

注意：
a. 实际情况下，每个class 文件都可能代表一个类或一个接口
b. class 文件指一串二进制字节流

b. 类加载全过程

类从被加载到虚拟机内存中开始、到卸载出内存为止，整个生命周期包括7阶段：

类生命周期

注意：

• 『加载』->『验证』->『准备』->『初始化』->『卸载』这5个阶段的顺序是确定的，而『解析』可能为了支持Java语言的运行时绑定会在『初始化』后才开始。
• 上述阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，比如会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

• 有且只有5种情况必须对类立即“初始化”：
  a. 遇到new、getstatic、 putstatic和invokestatic 4条指令时，对应场景是：
  (1) new 实例化对象
  (2) 读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）
  (3) 调用类的静态方法
  b. 使用java.lang.reflect 包方法对类进行反射调用的时候，若类没进行初始化，先出发其初始化
  c. 初始化类时，若发现父类没初始化，先对其父类初始化
  d. 虚拟机启动时，初始化主类（含main()方法的类）
  e. 如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、 REF_putStatic、 REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化

类加载过程：

• 加载

c. 类加载器&双亲委派模型

1.2.2 执行引擎（执行字节码，或者执行本地方法）

1.2.3 运行时数据区（方法区（）、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈）P 3 内存模型

• 方法区（线程共享）（又称，永久代）
  存储已被虚拟机加载的类相关信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。（存储程序中永远不变的或唯一的内容）
  方法区异常：
  • OutOfMemoryError: 方法区无法满足内存需求时
• 运行时常量池 是方法区的一部分
  存放编译器生成的各种字面量和符号引用，将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

• 堆（线程共享）
  存放对象实例和数组
  是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块； 是垃圾回收器 管理的主要区域
  在虚拟机启动时创建
  可使用物理上不连续的内存空间，逻辑相连即可
  扩容是通过-Xmx和-Xms控制
  堆异常：
  • OutOfMemoryError: 虚拟机栈扩容时不能申请到足够内存空间

• 虚拟机栈（线程私有）
  存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
  栈由系统自动分配，速度快，连续内存空间
  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同时创建一个栈帧（Stack Frame ）。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

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虚拟机栈中两种异常：
-StackOveflowError: 线程请求栈深度大于虚拟机栈深度
- OutOfMemoryError: 虚拟机栈扩容时不能申请到足够内存空间

• 本地方法栈（线程私有）———也会抛出上面两种异常
  虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native 方法服务。

• 程序计数器（线程私有）
  是当前线程所执行的字节码的行号指示器
  如果线程正在执行的是一个Java方法，那么计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址
  如果线程正在执行的是一个Native方法，那么计数器的值则为空

运行时数据区

例子

代码

内存数据传递

**注

• 基本数据类型赋值，引用数据类型赋对象地址
  阅读：JVM内存溢出详解

虚拟机对象

1）对象创建(new)

• 虚拟机检查new指令参数是否在常量池中定位到类的符号引用，检查符号引用代表的类是否被加载、解析、初始化过。没有， 进行类加载
• JVM为新对象分配内存。
  a.大小由类加载可知
  b. java堆内存是否规整，决定了java堆内存分配方式
  • 指针碰撞：内存规整（空闲放一边，使用的放一边，中间放指针作为分界点指示器。）
    (内存分配即指针向空闲空间挪动对象大小的距离）
  • 空闲列表： 内存不规整（空闲和使用的内存交错, 维护列表，记录哪些空闲）
    分配是从列表中找到足够大空间
    规整 由垃圾回收器是否带有压缩整理的功能决定
• 分配内存空间初始化为0
• jvm对对象进行设置（对象是哪个类实例、对象哈希码等）

2）对象的内存布局(3块区域）

• 对象头(2部分信息）
  a. Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。
  被设计出非固定数据结构->在极小空间存储尽量多信息
  b.类型指针：确定对象的所属类（对象是哪个类的实例）
• 实例数据
  存储真正的有效信息，是程序代码中定义的各种类型的字段内容。存储顺序会受虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序这两个因素影响
• 对齐填充：占位符，帮助补全未对齐的对象实例数据部分（8字节的倍数），非必需。

3）对象的访问定位

java 程序通过栈上的reference数据访问堆上的具体对象(2种方式）

• 句柄
  Java堆中划分出一块内存来作为句柄池 ,** reference存储的是对象的句柄地址**，在句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
  
  通过句柄访问对象

好处：reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

• 直接指针访问：
  在Java堆对象的布局中考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference存储的直接就是对象地址。
  

  直接指针访问对象

  好处：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。

2. Java多线程

Java 虚拟机多线程是通过 线程轮流切换 并分配处理器执行时间 实现的

3. 垃圾回收器

JVM内存模型中的运行时数据区的5部分：

• 虚拟机栈、程序计数器、本地方法栈：随线程生死
• 方法区、堆：分配和回收都是动态的，是GC管理的部分

• GC功能：
  识别并且丢弃应用不再使用的对象来释放和重用资源

3.1 对象判活（2种方法）

3.1.1 引用计数算法：

• 方法：
  给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
• 问题：
  难以解决对象间相互循环引用的问题

3.1.2 可达性分析算法：

• 方法：
  通过一系列被称为『GC Roots』的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，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。
• 可做GC Roots的对象：

• 虚拟机栈中引用的对象，主要是指栈帧中的本地变量
• 本地方法栈中Native方法引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象

引用类型（4种）

• 强引用（StrongReference）
  • "Object obj = new Object()" 这类引用
  • 具有强引用的对象不会被GC；
  • 即便内存空间不足，JVM宁愿抛出OutOfMemoryError使程序异常终止，也不会随意回收具有强引用的对象。
• 软引用（SoftReference）
  • 只具有软引用的对象，内存空间不足的时候被GC，如果回收之后内存仍不足，才会抛出OOM异常；
  • 软引用常用于描述有用但并非必需的对象，比如实现内存敏感的高速缓存
• 弱引用（WeakReference）
  • 只被弱引用关联的对象，GC时，无论当前内存是否足够都会被GC；
  • 强度比软引用更弱，常用于描述非必需对象。**
• 虚引用（PhantomReference）
  • 仅持有虚引用的对象，在任何时候都可能被GC
  • 必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用，当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

对象“判刑”过程

达性分析算法中, 被判定不可达的对象还未真的判『死刑』
至少要经历两次标记过程：

• 第一次标记：若对象与GC Roots 没有相连的引用链，且进行第一次筛选
• 筛选条件： 判断对象是否有必要执行finalize()方法；若被判定为有必要执行finalize()方法，之后还会对对象再进行一次筛选，如果对象能在finalize()中重新与引用链上的任何一个对象建立关联，将被移除出“即将回收”的集合。
• 注：任何一个对象的finalize()方法只能被系统自动调用一次

回收方法区（2部分）

• 废弃常量
  与回收Java堆中的对象的GC很类似，即在任何地方都未被引用的常量会被GC。
• 无用的类: 满足以下三个条件才会被GC:
  • 该类所有的实例都已被回收，即Java堆中不存在该类的任何实例；
  • 加载该类的ClassLoader已经被回收
  • 该类对应的java.lang.Class对象没在任何地方被引用，即无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

3.2 垃圾收集算法

根据对象存活周期的不同, 将java堆分为新生代和老年代,根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

• 新生代： 大批对象死去，只有少量存活。使用『复制算法』，只需复制少量存活对象即可。
• 老年代： 对象存活率高。使用『标记—清理算法』或者『标记—整理算法』，只需标记较少的回收对象即可。

3.2.1 标记—清理算法

• 思想：
  a.标记需要回收的对象
  b. 统一回收被标记的对象
• 不足：
  a. 效率问题： 清除和标记效率不高
  b. 空间问题：标记清除后会产生大量不连续的内存碎片

3.2.2 复制算法

• 思想：
  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。当这一块的内存用尽后，把还存活着的对象『复制』到另外一块上面，再将这一块内存空间一次清理掉。
• 优点：
  每次都是对整个半区进行内存回收，无需考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。
• 不足：
  a. 每次可使用的内存缩小为原来的一半，内存使用率低。
  b. 存活率较高就需要进行较多复制操作，效率变低
  
  复制算法

扩展

新生代中的对象98%是“朝生夕死”的，将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1。每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的内存会被“浪费”。当然，98%的对象可回收只是一般场景下的数据，我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存（这里指老年代）进行分配担保（Handle Promotion）

3.2.3 标记-整理算法（存活率高适用）

• 思想：
  『标记』出所有需要回收的对象，然后进行『整理』，使得存活的对象都向一端移动，最后直接清理掉端边界以外的内存。
• 优点：即没有浪费50%的空间，又不存在空间碎片问题，性价比较高
  一般情况下，老年代会选择标记-整理算法。
  
  标记-整理算法

补充

JVM 将堆内存划分为 Eden（年轻代）、Survivor（老年代） 和 Tenured/Old（持久代）空间。

• 年轻代
  所有新生成的对象首先都是放在Eden区。 年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象，对应的是Minor GC，每次 Minor GC 会清理年轻代的内存，算法采用效率较高的复制算法，频繁的操作，但是会浪费内存空间。当“年轻代”区域存放满对象后，就将对象存放到年老代区域。

• 老年代
  在年轻代中经历了N(默认15)次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。年老代对象越来越多，我们就需要启动Major GC和Full GC(全量回收)，来一次大扫除，全面清理年轻代区域和年老代区域。

• 持久代
  用于存放静态文件，如Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响。
  

  堆内存划分

堆内存三个空间分别对应 三个GC： Minor GC、Major GC和Full GC

• Minor GC:
  用于清理年轻代区域。Eden区满了触发一次Minor GC。清理无用对象，将有用对象复制到“Survivor1”、“Survivor2”区中
  (这两个区，大小空间也相同，同一时刻Survivor1和Survivor2只有一个在用，一个为空)
• Major GC
  用于清理老年代区域。
• Full GC：
  用于清理年轻代、年老代区域。 成本较高，会对系统性能产生影响。
  Old区满了，则会触发一个一次完整地垃圾回收（FullGC）

3.3 HotSpot 算法实现

3.3.1 枚举根节点(找到GC Roots)

主流Java虚拟机使用的都是准确式GC，在执行系统停顿之后无需检查所有执行上下文和全局的引用位置，而是通过一些办法直接获取到存放对象引用的地方，在HotSpot中是通过一组称为OopMap的数据结构来实现的，完成类加载后会计算出对象某偏移量上某类型数据、JIT编译时会在特定的位置记录栈和寄存器中是引用的位置。这样GC在扫描时就可直接得知这些信息，并快速准确地完成GC Roots的枚举

3.3.2 安全点

3.3.3 安全区域