Java虚拟机学习记录

Java运行时内存分布

Java运行时内存分布分为以下几个部分：

1. 方法区

   方法区主要存储：已经被JVM加载的类信息（版本、字段、方法、接口），常量，静态常量，即时编译器编译后的代码，数据。方法区是线程间共享的。

2. Java堆

   是JVM所管理的内存中最大的一块，仅用来存放对象实例，是GC管理的主要区域。Java堆是线程共享的内存区域，因此我们在多线程开发时，要注意线程安全的问题。

   按照存储时间的差异，堆内存可以划分为两个部分：新生代（Eden、Survivor），老年代。不同区域存储生命周期不同的对象，便于GC采取不同的算法进行垃圾回收。

3. 虚拟机栈

   JVM会为线程中的每个方法创建一个栈帧，因此本地方法栈也是线程私有的。

   每一个栈帧包含以下信息：局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址。虚拟机栈会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

   • 局部变量表：用来记录该方法产生的局部变量和方法传入的参数，Java文件编译成class文件之后，会记录局部变量表的容量（max_locals）;

   • 操作数栈：是一个后入先出的栈，用来执行具体的操作，方法执行过程中，会有各种各样的字节码指令压入和弹出操作数栈，操作数栈的大小也会写入方法的code属性表max_stacks数据项中；

   • 动态链接：是为了支持方法调用过程中的动态连接，当一个方法要调用其他方法时，需要将方法的符号引用转为内存地址的直接引用，符号引用则存储在方法区中，而每一个栈帧都包含该栈帧对应方法的符号引用；

   • 返回地址：当一个方法执行时，只有两种情况会退出这个方法，一是代码执行完毕或者遇到了return，二是方法抛出了没有被处理的异常。无论哪种方式退出，方法执行完成后，都需要回到方法被调用的位置，而返回地址就是为了帮助上层方法来恢复他的执行状态。

   public static add(int i, int j) {
    int k = 2;
    return i + j + k;
   }
   

4. 本地方法栈

   本地方法栈与虚拟机栈类似，存储的是native方法。在一些虚拟机实现中，已经将本地方法栈与虚拟机栈合二为一了，例如HotSpot。

5. 程序计数器

   Java程序是多线程的，CPU会给每个线程分配时间片段，因此每个线程需要记住自己在时间片段中的代码执行情况，以便在下一个时间片段到来时继续执行自己线程的代码，因此程序计数器必须是线程私有的，随着线程的创建而创建，消亡而消亡。

   代码的循环、分支、跳转以及异常抛出等都由程序计数器来控制。

   Java虚拟机对程序计数器这一区域是没有任何OOM异常的。

   当一个线程执行的是Java方法时，程序计数器指向虚拟机字节码指令的地址；执行的是native方法时，则为空。

GC回收机制与分代回收策略

GC（Garbage Collection）即垃圾回收，是Java虚拟机的重要知识点。垃圾就是系统运行时，内存中已经没有使用的对象。在Java虚拟机中，认为没有被GC Root对象直接或间接引用的对象，都认为是可回收的垃圾，被称为“可达性分析”算法。

1. GC Root

   Java虚拟机中的以下对象被定义为GC Root对象：方法区中静态变量、Java虚拟机栈中引用的对象、仍然存活的线程对象、native方法中JNI引用的对象。

2. 什么时候会触发GC？

   • Allocation Failure：在给对象分配堆内存时，剩余内存空间不够，系统会触发一次GC；
   • System.gc()：在Java层调用该方法，手动触发一次GC。

3. 常见的三种GC回收算法

• 标记回收算法

  从“GC Roots”集合开始，遍历整个内存，保留被GC Roots直接或间接引用的对象，剩下的对象都标记为垃圾，等待系统回收。分为Mark标记阶段和Sweep清除阶段。

  优点：实现简单；

  缺点：需要中断线程内其他组件的执行，可能产生内存碎片，提高了GC的频率。

• 复制算法

  将现有内存分为两块，每次只使用其中的一块。我们将两块内存称作A内存和B内存，当前使用A内存，当触发GC时，会将GC Roots直接或间接引用的对象移动到B内存当中，并将A内存中的对象全部清除，最后交换A内存和B内存的角色。

  优点：按顺序分配内存即可，实现简单，执行高效，不需要考虑内存碎片；

  缺点：实际只能使用一半的内存空间，对于生命周期较长的对象，会进行频繁的复制。

• 标记-压缩算法

  从根节点出发，对所有可达对象进行一次标记，之后将所有标记的对象压向内存的一边，之后清除边界外的内存空间。分为Mark标记阶段和Compact压缩阶段。

  优点：避免只能使用一半的内存空间，不需要考虑内存碎片;

  缺点：压缩操作还是需要对对象进行复制，一定程度上降低了效率。

4. JVM分代回收策略

   前文说过，按照存储时间的差异，堆内存可以划分为两个部分：新生代（Eden、Survivor），老年代。不同区域存储生命周期不同的对象，便于GC采取不同的算法进行垃圾回收。

   对于不同的分代我们采取不同的回收策略。

   1. 新生代

      新生代具体分为三个区域，分别时Eden、Survivor0（S0）、Survivor1（S1），这三个部分按照8:1:1的比例来划分新生代。

      初次创建的内存对象会存活在Eden区域，在首次触发GC之后，会遍历Eden区域，将GC Roots直接或间接引用的对象全都复制到S0区域中，之后清除Eden区域留存的对象；当再次触发GC时，会遍历Eden区域和S0区域，将GC Roots直接或间接引用的对象全都复制到S1区域中，之后清除Eden区域和S0留存的对象。S0与S1之间来回复制多次依然存活，则认为该对象的生命周期较长，放到老年区。还有一种特殊情况，当存活的对象总大小大于S0（S1）区域内存空间的大小，会将多余的对象直接放到老年代中。

   2. 老年代

      如果在多次GC后，对象依然存活，则会被放到老年代。老年代的内存空间一般比新生代大，用来存放更多的对象。一般使用标记压缩算法。