深入理解JVM

JavaEE初阶34、35

一、JVM内存区域划分

1、java进程是资源分配的基本单位

  一个用java写的程序跑起来，就得到了一个java进程，java进程=JVM+上面运行的字节码指令。

  java的进程是资源分配的基本单位。让我们举一个生活中的例子，一个办公团队，想要组建一个小公司，因此老板租了一块区域。接下来，老板就需要将这块区域划分为几个区域，使其能进行正常的业务工作，于是，这块区域被划分为：老板办公室、员工工作区、前台、茶水区……java进程就可以类比为拥有这么一块区域，进程将内存区域划分为不同的部分，以保证程序可以正常运行！

2、四个不同的内存区域

  java进程将内存区域划分为四个部分，分别是程序计数器、堆、栈、元数据区。

1）程序计数器

  程序计数器占比较小的空间，它的作用是保存下一条要执行指令的地址。这里的“下一条要执行的指令”是java的字节码。

2）堆

  堆是JVM上最大的空间，我们new的对象都在堆上。

3）栈

  栈保存了函数中的局部变量、函数的形参、函数之间的调用关系等信息。

4）元数据区

  元数据区以前也称为“方法区”，它主要保存java程序中的指令（指令都是包含在类的方法中）、代码中涉及到的关于类的信息、还有类的static属性

  一个java进程中，元数据区和堆是只有一份的。程序计数器和栈则可能有多份（当一个java进程有多个线程的时候，每个线程都有自己的程序计数器和栈）

3、一道题目

  有以下代码，请问代码中的a、b、c、d、e、f分别存储在内存中的哪块区域。

class Test{
  private int a;
  private Test b=new Test();
  private static int c;
  private static Test d=new Test();
  
  public staic void main(String[] args){
    int e=10;
    Test f=new Test();
  }
}

  一个变量存储在哪个内存区域，和变量的形态有关。

1）局部变量-->栈

2）类成员变量-->堆

3）静态成员变量-->元数据区 

a：变量a是类的成员变量，存储在堆区

b：变量b是一个引用类型的类成员变量，存储在堆区，它存储的是Test（）的地址，new 的Test（）对象则存储在堆区。

c：变量c是全局静态变量，存储在元数据区

d：变量d是一个引用类型的全局静态变量，存储在元数据区，new 的Test（）对象则存储在堆区

e：变量e是局部变量，存储在栈中

f： 变量f是一个引用类型的局部变量，存储在栈中，new 的Test（）对象则存储在堆区

二、JVM类加载过程

1、什么是类对象

  我们写一个java程序，得到一个.java文件；然后经过javac编译，得到.class文件（存在硬盘中）。

  当运行Java进程的时候，JVM就需要“读取” .class 中的内容，并且执行里面的指令。其中，读取.class 的操作，就是“类加载”，类加载是把类涉及到的字节码，从硬盘读取到内存中的元数据区。也就是把这个.class中的指令转变为一个类对象。

  加载一个.class 文件，也就会创建对应的类对象，类对象里面包含了.class文件中的各种信息。比如：

类的名字是啥

类里有哪些属性，每个属性的名字是啥、每个属性的类型是啥、是用publice修饰还是private修饰

类里有哪些方法、每个方法的名字是啥、参数是啥、是用publice修饰还是private修饰

继承的父类是啥

实现的接口有哪些  

 2、类加载的具体步骤

1）加载:

把.class 文件找到，代码中先见到类的名字，然后进一步找到.class文件，打开并读取文件的内容

2）验证：

验证我们读到的.class 文件的数据，是否正确、是否合法？

3）准备：

准备过程也就是分配内存空间，根据类对象读取到的内容，确定出类对象需要的内存空间，申请这样的内存空间，并且把内存空间的所有内容，都初始化为0。

  比如下面的代码，此时将这个代码进行类加载，到达准备阶段时，此时的a被初始化为0，还并不会被设置为10。

class Test{
  public static int a=10;
}

4）解析：

 解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

或许你会很疑惑，什么是符号引用？什么是直接引用？让我来详细介绍一下。

  字符串常量池里面的字符串其实是存储在.class文件中（存在硬盘中），它是没有地址的，因为我们通常谈到的地址，是属于内存的概念。但是在类加载之前，数据还没有加载到内存中，所有的字符串是存储在硬盘上的，因此没有地址！

  直接引用，这个引用是用来保存一个地址，通过这个地址，我们就可以找到这个地址存储的值！

   总而言之：存在内存中的数据，才有地址；存在硬盘中的数据，没有地址。

   那么，字符串常量池中的字符串存储在硬盘中，如何表示究竟在硬盘中的哪个方位呢？

  我们可以使用“偏移量"的概念来描述字符串在文件中所处的位置，这种方式叫做”符号引用”。

  等到进行类加载的时候，就会把hello这个字符串加载到内存中，此时hello这个字符串就有了地址，此时，就可以使用直接引用的方式找到hello这个字符串。

  在没有进行类加载之前，.class 文件有很多指令使用到hello字符串，此时这些指令找到hello使用的是符号引用。我们的解析阶段就是，在进行类加载后，hello这个字符串加载到内存中，有了地址，此时的hello可以进行直接引用查找之后，Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

5）初始化：

初始化阶段一般会进行下面几个操作：

  1、针对类对象做最终的初始化操作，比如在准备阶段中，a被设置为0，此时到了初始化阶段，才真正把a初始化为10。

class Test{
  public static int a=10;
}

2、执行类中的静态代码块

3、针对父类也进行加载，如果当前加载的类还有父类，且这个父类还未被加载过，此时在这个环节也会触发针对父类的加载。

3、双亲委派模型

  双亲委派模型是类加载的阶段1涉及到的一个环节，也就是找文件环节。

  找文件操作依靠的是JVM自带是三个类加载器：

 1）BootstrapClassLoader：负责加载标准库的类

 2)  ExtensionClassLoader：负责加载扩展库的类

 3)  ApplicationClassLoader：负责加载第三方库的类（也就是我们自己写的类）

  这三个类加载器逻辑上是有父子级关系的，我们可以这样类比：BootstrapClassLoader是爷爷，ExtensionClassLoader是爸爸，ApplicationClassLoader是儿子。

  当执行找目录的过程中，这三个类加载器会分别获得一个目录，用于它们来查找文件，爷爷目录可以查找到标志库的类、爸爸目录可以查找到扩展库的类、儿子目录可以查找到第三方库的类。

  首先，JVM进行找文件操作，此时将任务发送到儿子加载器，儿子加载器第一时间不是立即执行找文件操作，而是先将这个任务发送到父亲加载器，让父亲加载器先找一下这个文件；

  父亲加载器接收到任务，也不是第一时间立即执行找文件操作，而是先将这个任务发送到爷爷加载器，让爷爷加载器先找一下这个文件；

  爷爷加载器接收到任务，根据其目录，开始执行找文件操作！分为两种情况:找到该文件，进行类加载操作；未找到该文件，将任务再派送回父亲加载器

 如果父亲加载器收到爷爷加载器派发回的找文件任务，父亲加载器再执行找文件操作，也分为两种情况，找到则进行类加载；未找到则将任务派回给儿子加载器

  如果儿子加载器收到父亲加载器派发回的找文件任务，儿子加载器再执行找文件操作，找到则进行类加载，未找到则报错

  上述逻辑的目的，是为了确保标志库中的类是优先级最高的，扩展库其次，第三方库最低。也就是说，我们平时写代码，可能会出现类名和标准库或者扩展库的类名一致，此时JVM要保证标志库的类优先加载，扩展库的类其次，我们自己写的类最低。 

三、垃圾回收机制（GC）

1、内存泄漏

  在C/C++中，malloc/new一个对象，都需要手动释放内存free/delete，如果不释放内存，就会造成内存泄漏。针对这一情况，各大语言的解决策略是不同的：

1）C语言针对内存泄漏，采取摆烂态度，对内存泄漏这种问题并没有提出什么有效的解决方案。

2）C++针对内存泄漏，给出了一个“智能指针”，但其实效果也一般。

3）Java针对内存泄漏，则给出来更系统更完整的解决方案，这就是我们要介绍的“垃圾回收机制”，也就是GC。程序员写代码，可以放心大胆地new对象，JVM会自动识别，哪些new完的对象再也不用了，就会把这样的对象自动释放掉。

2、回收机制的回收主战场

JVM中有好几个内存区域，那么GC主要负责回收哪里呢？

1）程序计数器和栈是跟随线程的，因此不需要GC，线程结束，内存就释放了

2）元数据区主要存储类对象数据，一个程序里面要加载的类，都是有上限的，不会出现无限增长的情况，因此也不需要GC

3）堆主要存储new的对象，是GC的主战场

  GC回收是以对象为维度的，以下是GC回收的逻辑：

3、GC具体是怎样回收的

GC回收分为两个步骤：

1）先找出来谁是垃圾（垃圾==不再使用的对象，也就是说，不再有引用指向这个对象）

2）释放垃圾的内存空间

识别垃圾方案1：引用计数

给每个对象分配一个计数器，衡量有多少个引用指向这个对象。

每次增加一个引用，计数器+1；

每次减少一个引用，计数器-1；

当计数器减少为0，此时对象就是垃圾了；

  结合代码举个例子：

   a)Test a=new Test() ：此时new Test()这个对象存储在堆中，这个对象里面有一个计数器，此时只有a一个引用指向Test（），因此计数器=1；

  b)Test b=a ：增加一个引用指向Test（），因此计数器=2；

  c）a=null：少了一个引用指向Test（），此时计数器=1；

  d）b=null：少了一个引用指向Test（），此时计数器=0，GC回收掉Test（）；

  上述方案其实存在两个问题，因此JVM并没有采纳这个方案。

问题1：计数器的引用增加了内存开销，因为我们计数器是分配到对象中的，因此每个对象因为引入计数器而需要分配更多空间。

问题2：这种方案可能会产生“循环引用”，导致无法GC回收

class Test{
  Test t=null;
}


Test a=new Test();
Test b=new Test();
a.t=b;
b.t=a;
a=null;
b=null;

  让我来具体介绍一下“循环引用”为什么会导致无法GC回收。

a)我们创建一个Test类，这个类里面有一个属性，即Test t。

b）实例化两个Test类，引用分别是a，b

c）分别设置Test对象t的值，此时各自的计数器都为2

d）将a，b置为null，此时就出现了“循环引用”，由于各自的计数器都为1，因此无法进行GC操作，但是实际上，两个Test对象都无法再获取到了，可以被视为垃圾，但是却无法GC。

识别垃圾方案2：可达性分析 （JVM采用）

  在JVM中，专门搞了一波线程，它会周期性地扫描代码中的所有对象，判定某个对象是否“可达，也就是可以被访问到，对应的，不可达的对象，就是垃圾了。

  类比生活在的例子，老师拥有学生的名单，当老师根据名单进行点名时，喊到的同学说明来教室上课了，那么没喊到的同学，说明没来上课

  JVM拥有所有对象的名单，周期性扫描时，可以被访问到的对象，说明还有引用指向它，因此还正在使用中，不用回收。无法访问到的对象，说明已经没有引用指向它，因此可以判定为垃圾，将它回收！

  可达性分析的起点，称为GC root，一个程序中，GC root不是只有一个，而是有很多个，它可以是栈上的局部变量（引用类型）、方法区中静态的成员（引用类型）、常量池引用指向的对象……把所有的GC root都遍历一遍，针对每一个尽可能往下延伸，因此特别消耗性能。

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  知道了谁是垃圾，需要回收，那么该如何回收呢？

回收垃圾方案1：标记清除法

  标记清除也就是将被标记为垃圾的对象进行回收，使其空出内存空间！可是这可能会造成”内存碎片问题“。

  让我们看看下面这张图片，蓝色区域为原本是垃圾的区域，此时进行“标记清除”，将其空间进行回收之后，可是空闲出来的空间是一段不连续的内存，当后面JVM需要申请一个3M的连续空间时，是无法实现的！这就是”内存碎片问题“

回收垃圾方案2：复制算法

  复制算法的逻辑是将内存空间一分为二，同一时刻，只使用其中一半。

 如图，JVM将内存一分为二，每次只使用其中一半，将垃圾对象识别出来后，JVM将非垃圾对象复制到另一半的内存空间中，接下来另一半的内存空间全部释放！

  

 但是复制算法缺点也很明显：

1）内存空间利用率低，每次只使用了一半

2）如果存活下来的对象比较多，那么复制成本 也比较大

垃圾回收方案3：标记整理法

   标记整理法的思想标记难解释，我们以上述例子来讲解一下它的具体逻辑： 

 a）有三个垃圾对象1、3、5，需要回收，其他对象均为不需要回收的

b）将对象2复制到对象1的内存空间中

c）将对象4复制到原对象2的内存空间中

d）将对象6复制到对象3的内存空间中

e）将对象7复制到原对象4的内存空间中

f）将对象8移动复制到对象5的内存空间中

g）释放掉后面的内存空间

  但是标记整理法搬运的开销也不小

  垃圾回收方案 4：分代回收法（JVM采用）

  以上3个垃圾回收方案因为有各自的缺陷，因此都不是JVM采纳的垃圾回收方案，实际上，JVM采用的垃圾回收方案是”分代回收法“，这个方案是将上述几个方案综合在一起，取长补短而成的。

  JVM根据对象的年龄，把对象进行区分，年轻的是新生代，年老的是老年代。那么JVM是如何计算对象的年龄的呢，其实是通过前面的可达性分析计算的，由于可达性分析会周期性扫描每个对象，每经过一轮扫描并且存活的对象，年龄+1。

  分代回收将内存整个堆内存划分为几个区域：

a）伊甸区：存储新生代，采用复制算法。根据经验规律，绝大部分新对象，活不过第一轮GC，留存下来的拷贝到幸存区

  由于绝大部分新对象活不过第一轮GC，因此复制算法真正需要拷贝的对象其实不多，开销会比较小

b）幸存区：是两个相等的空间，采用复制算法，反复进行多次

c）老年区：存储老年代，采用标记整理法，如果一个对象在幸存区已经反复被拷贝多次，也没有被判定为垃圾，它的年龄不断增长，此时它就可以拷贝到老年区

d）根据经验规律，老年代中的对象，生命周期会比较长，GC的频率会比较低，因此需要整理的次数也不多

原文地址：https://blog.csdn.net/wu_yi_min/article/details/143656217

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