JVM的主要职责管理内存

JVM基础

JVM的内部结构

JVM内部结构.jpg

• JAVA 堆（heap）：是java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，存放对象实例，即new的对象和数组（可以被所有的线程共享，不会存放别的对象引用）
• 方法区：用于存储已经被虚拟机加载的类、常量和静态变量 （可以被所有的线程共享，包含了所有的class和static变量）
• 程序计数器：是一块较小的内存空间，作用是当前线程所执行的字节码行号指示器
• JVM栈：是虚拟机描述的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，用于存放局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息（存放基本变量类型（含具体数值），引用对象的变量（存放引用在堆里的具体地址））
• 本地方法栈：与JVM栈作用类似，区别是本地方法栈是为Native方法服务的，JVM栈是为java方法服务

JVM中那些是共享区，那些可以作为GcRoot

• 堆和方法区是所有线程共享的，栈、本地方法栈、程序计数器是每个线程独有的
• 栈中的本地变量，本地方法栈中的变量、方法区的静态变量、正在运行的线程可以作为GcRoot

内存回收机制

内存回收的几种算法

• 标记清除算法 ：标记清除算法主要分为有两个阶段，首先标记出需要回收的对象，然后咋标记完成后统一回收所有标记的对象； 缺点：
  效率问题：标记和清除两个过程效率都不高。
  空间问题：标记清除之后会导致很多不连续的内存碎片，会导致需要分配大对象时无法找到足够的连续空间而
  不得不触发GC的问题。

• 复制算法 ：将可用内存按空间分为大小相同的两小块，每次只使用其中的一块，等这块内存使用完了将还存活的对象复制到另一块内存上，然后将这块内存区域对象整体清除掉。每次对整个半区进行内存回收，不会导致碎片问题，实现简单且效率高效。 缺点： 需要将内存缩小为原来的一半，空间代价太高。

• 标记整理算法：标记整理算法标记过程和标记清除算法一样，但清除过程并不是对可回收对象直接清理，而是将所有存活对象像一端移动，然后集中清理到端边界以外的内存。

• 分代回收算法 ：当代虚拟机垃圾回收算法都采用分代收集算法来收集，根据对象存活周期不同将内存划分为新生代和老年代（新生代经过多次垃圾回收机制后都没有被回收就会被放入老年代），再根据每个年代的特点采用最合适的回收算法。

  新生代存活对象较少，每次垃圾回收都有大量对象死去，一般采用复制算法，只需要付出复制少量存活对象的
  成本就可以实现垃圾回收；
  老年代存活对象较多，没有额外空间进行分配担保，就必须采用标记清除算法和标记整理算法进行回收；

• 效率对比
  效率： 复制算法 > 整理算法 > 清除算法
  内存整齐度：复制算法 = 整理算法 > 清除算法
  内存使用率：整理算法 = 清除算法 > 复制算法

分代机制

• 年轻代：用来存放新建的对象，死亡快存在朝生夕死的情况（使用复制算法）
• 老年代：老年代中存放的对象是存活了很久的，如年轻代经历多次垃圾回收仍存活就会被放入老年代（清除和整理算法）

GC如何判断一个对象可以被回收

• 引用计数法：每个对象都有一个引用技术属性，新增一个引用计数加一，引用释放的时候计数减一，计数为零的时候表示可以回收
• 可达性分析法：从GcRoots 开始向下搜索，搜索所有走过的路劲称之为引用链，当一个对象到GcRoots没有任何引用链时，则证明引用对象是不可用的，那么虚拟机就判断是可回收对象
• 引用计数法可能会出现A引用了B，B又引用了A，这个时候就会出现他们都不再使用了，但因为计数器为1永远无法被回收
• 可达性算法中不可达对象并不是立即死亡的，对象被宣告死亡至少要经历两次标记过程，第一次是可达性分析算法发现没有引用链，第二次是由虚拟机建立的finalizer队列中判断是否需要执行finalizer（）方法。如果对象在进行可达性分析后发现没有与任何的 “GC Roots” 引用链相连接，则会被第一次标记，随后会进行一次筛选过程，筛选的条件是 “该对象是否有必要执行 finalize() 方法”。只有在该对象没有覆盖 finalize() 方法，或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过 时，才认为是 “没有必要执行”。

GcRoot 的对象有哪些

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 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
• 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）中引用的对象
• JVM的内部引用（Class 对象、异常对象NullPointException 。。。。、系统类加载器）
• 所有被同步锁（Synchronized关键字）持有的对象
• JVM内部的JMXBean 、JVMTI中注册的回调，本地缓存等
• JVM实现中的临时性对象，跨代引用的对象（在分代回收只回收部分代时）
• 正在运行的变量在当前时刻都可以称之为GcRoot，存在虚拟机栈中

native 层也是用户空间，用户空间和内核空间唯一的通讯方式就是系统调用

GC的几种引用方式

• 强引用：默认的引用方式
• 软引用：内存不足时回收
• 弱引用: GC 到来时回收 （除了强引用用的最多的引用）
• 虚引用：GC回收后可以得到一个通知

垃圾回收器

• CMS:核心思想就是将STW打散，让一部分GC线程与用户线程并发执行（concurrent mark sweep）
  初始标记→并发标记 → 重新标记 → 并发清除
  ①、STW只标记出根对象直接引用的对象
  ②、继续标记其他对象与应用程序并发执行
  ③、STW对并发执行阶段的对象重新标记
  ④、并行将产生的垃圾清除，清除过程中优惠产生付浮动垃圾下次清除
• G1垃圾优先：他的内存模型中对于堆内存不再分代，而是分成一个个Region的小块，每个Region可以隶属不同的年代（实际不分代，逻辑分代）
  初始标记→ 标记Region → 并发标记 → 重新标记 → 回收
  ①、标记出GCRoot 直接引用的对象 STW
  ②、通过rest 标记出上个阶段标记的Region引用到的old区Region
  ③、跟CMS差不多，但是遍历范围不在是整个old区，而只需要遍历第二步标记出来的Region
  ④、和CMS差不多
  ⑤、和CMS不一样，G1采用拷贝算法，G1只选择垃圾多的清理
• CMS 核心算法：三色标记：是一种逻辑上的抽象，将每个内存对象分成三种颜色
  黑色：自己和成员变量都标记完
  灰色：自己标记完了
  白色：自己未标记
  通过增量标记解决漏标问题

类加载

类的生命周期

类的生命周期

• 加载：查找并加载类的class 文件，将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些数据转换成方法区的运行时数据结构，然后生成代表这个类的java.lang.class 对象
• 链接：包括验证、准备、和解析三个阶段，将java类的二进制代码合并到JVM的运行状态之中的过程
• 验证：确保被导入的类型的正确性
• 准备：为类的静态字段分配字段并默认初始化这些字段
• 解析：虚拟机常量池内的符号引用替换成直接引用
• 初始化：将类变量初始化为正确的初始值

类加载器

• 根加载器 ：用来加载核心库，JVM自带的类加载器
• 扩展类加载器：负责jre/lib/ext目录下的jar包或者java.ext.dirs指定目录下的jar包装入工作库
• 系统类加载器：咱自己的类加载器
  根加载器和扩展类加载器 负责加载javaHome 下的所有jar包和class文件

双亲委托机制

• 向上委派：实际上就是查找缓存，是否加载了该类，有则返回，没有则继续向上委派到顶层后缓存中还是没有，则到加载路径中查找，有则返回，没有则向下查找
• 向下查找：查找加载路径，有则返回没有则向下查找
  向上委派到类加载器为止，向下查找到发起类加载的加载器为止
  双亲委托机制的意义：
  安全性：避免用户些的类替换了java 核心类
  同时也避免了类的重复加载，因为jvm中区分类的不同，不仅仅是根据类名，相同class文件被不同加载器加载也会是两个不同类

类加载器的作用

将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区运行时数据结构，然后再堆中生成一个代表这个类的class对象，作为方法区中类数据的访问入口

类缓存

标准的JavaSE 类加载器可以按照要求查找类，但一旦某个类被加载到类加载中，他将维持加载一段时间，不过JVM垃圾回收机制可以回收这些class对象

对象的创建

• 判断对象对应的类是否创建
• 为对象分配内存空间，两种方式
  a、指针碰撞：找到空闲指针，然后从开始位置往后移n个指针（内存空间规整）
  b、空闲列表：从空闲列表中找到满足条件的内存空间
• 处理并发安全问题
  a、 CAS算法配上失败重试机制
  b、本地线程分配缓冲区
• 初始化分配到的内存空间
  将分配到的内存空间出对象头之外都初始化为零
• 设置对象的对象头
  将对象的所属类，对象的HashCode 和对象的GC分代数据存储在对象头中
• 执行init 方法进行初始化