理解JVM

文章目录

• 前言
• 一、JVM 内存区域划分
• 二、JVM 中类加载的过程
• • a.类加载的基本流程（熟练背诵）
  • b.双亲委派模型
• 三、JVM 中的垃圾回收机制（GC）
• • 1.找到垃圾
  • 2.如何回收垃圾？
• 总结

前言

JVM 内部涉及到的内容是非常广泛的。咱们主要讨论三个方面的问题：
1.JVM 内存区域划分
2.JVM 中类加载的过程
3.JVM 中的垃圾回收机制

一、JVM 内存区域划分

一个运行起来的 java 进程，其实就是一个 JVM 虚拟机。需要从操作系统中申请一大块内存，把这个内存划分成不同的内存区域。

• 1.方法区（1.7及其之前）/ 元数据区（1.8开始）
  这里存储的内容是类对象：.class 文件加载到内存之后就成了类对象。

• 2.堆
  这里存储的内容是代码中 new 出来的对象（占据空间最大的区域）。

• 3.栈
  这里存储的内容是代码执行过程中，方法之间的调用关系。

• 4.程序计数器
  （比较小的空间）主要存放一个“地址”，表示下一条要执行的指令在内存中的哪个地方。

大家可以看下面这张图形象地展示了 JVM 中的区域划分：

值得注意的是：
虚拟机栈和程序计数器都是每个线程都有一份的。
而元数据区和堆在 JVM 进程中是只有一份的。
所以，一个JVM 进程可能有多个线程。每个线程都有自己的程序计数器和栈空间，这些线程共用同一份堆和元数据区（方法区）。

• 常见面试题：

下面代码中 n，a，t 处于哪个区域？

答：一个变量处于哪个区域，和变量的形态密切相关。Test 类中定义的变量是成员变量，在下面main 方法中new 对象时就会包含这个属性，所以成员变量处在堆上。而下面的变量a 由于加了static 修饰就是静态变量，包含在类对象中，那么静态变量就是处在元数据区（方法区）上。最后下面main 方法中的局部变量t 是一个引用类型的变量，这里存的是一个对象的地址，不是对象本身。处于栈上的局部变量表中，所以，局部变量处在栈上。

二、JVM 中类加载的过程

a.类加载的基本流程（熟练背诵）

java 代码会被编译成 .class 文件(里面包含了一些字节码)，java 程序要想运行起来，就需要让 jvm 读取到这些 .class文件 ，并且把里面的内容构造成类对象保存到元数据区（方法区）中。所谓的“执行代码”其实就是调用方法，要想调用方法，就要先知道每个方法编译后生成的指令都是啥，而这些指令都是存储在 .class 文件中的。

• 类加载的5个步骤：
  1.加载：通过“全限定类名”，在一些指定的目录范围内找到 .class 文件，打开并读取文件内容。
  2.验证：验证当前读到的这个格式是否符合要求。.class 文件是一个二进制的格式（某些字节都是有某些特定含义的）。
• 3.准备：给类对象分配内存空间(最终的目标是要构造出类对象)。这里只是分配内存空间，还没有初始化，此时这个空间上的内存的数值都是0。
• 4.解析：针对类对象中包含的字符串常量进行处理，进行一些初始化操作。
  java 代码中用到的字符串常量，在编译之后，也会进入 .class 文件中。字符串常量是引用，本质上保存的是地址，在 .class 文件中不涉及内存地址，所以就会先设置成一个“文件的偏移量”，当类真正被加载到内存中的时候，再把这个偏移量替换成真正的内存地址。
• 5.初始化：针对类对象进行初始化，把类对象中需要的各个属性都设置好。需要初始化 static 成员，需要执行静态代码块以及还可能需要加载一下父类。

b.双亲委派模型

双亲委派模型属于类加载中的第一个步骤，是“加载”过程其中的一个环节。负责根据全限定类名来找到 .class文件。

• JVM 中内置了三个类加载器：BootStrap ClassLoader、Extension ClassLoader、Application ClassLoader

• 类加载的过程（找 .class 文件的过程）
  1.给定一个类的全限定类名，形如 java.lang.String
  2.从 Application ClassLoader 作为入口,开始执行查找的逻辑
  3.Application ClassLoader 不会立即去扫描自己负责的目录（项目当前的目录和第三方库对应的目录），而是把查找的任务交给它的父亲—Extension ClassLoader
  4.Extension ClassLoader，也不会立即扫描自己负责的目录（JDK 中一些扩展的库对应的目录），也是把查找的任务交给它的父亲—BootStrap ClassLoader
  5.最后，BootStrap ClassLoader 只好扫描自己负责的目录（标准库中的目录）。如果能够找到，就执行后续的类加载操作，此时查找过程 也就结束了。
  6.但是，如果给定的雷不是标准库中的类，就会回到 Extension ClassLoader 来进行扫描扩展库的目录。
  7.如果还是没有扫描到，就会继续回到 Application ClassLoader 来扫描当前项目和第三方库的目录。
  8.最终，如果还是没有没找到，就会抛出一个 ClassNotFoundException 这样的异常。

之所以搞这一套流程，主要的目的是为了确保标准库的类被加载的优先级最高，其次是扩展库，再其次是自己写的类和第三方库。

三、JVM 中的垃圾回收机制（GC）

GC就是让JVM 自行判断某个内存是否就不再使用了，如果这个内存后面确实不用了，JVM 就自动地把这个内存给回收掉。
GC 回收的目标是内存中的对象，对于 java 来说，就是 new 出来的对象。

• 在java 中，使用对象，必须要依靠引用。如果一个对象没有引用指向了，就可以视为是垃圾了。

• GC 可以理解成两大步骤：

1.找到垃圾

有两种主流的方案：
a.引用计数(python,PHP):
new 出来的对象，单独安排一块空间，用作一个计数器来保存引用计数。当对象的引用计数为0时，此时代码中就不可能访问到这个对象，那么这个对象就可以视为是垃圾了。
存在的问题：
1.比较浪费内存
2.存在“循环引用”问题
b.可达性分析（java）
有一个/一组线程，周期性地扫描代码中所有的对象（从一些特定的对象出发，尽可能地进行访问的遍历，把所有能访问到的对象，都标记成“可达”。反之，经过扫描之后，未被标记的对象，就是垃圾了）。
可达性分析的出发点有很多，不仅仅是所有的局部变量，常量池中引用的对象，还有方法区中的静态引用类型引用的变量等等…
存在问题：可达性分析比较消耗系统资源，开销比较大。

2.如何回收垃圾？

三种基本的思路：

• 1.标记清除（简单粗暴的释放方式）
  把对应的对象直接释放掉
  
  缺点：会产生很多的内存碎片，导致后续内存申请举步维艰。

• 2.复制算法
  通过复制的方式把有效的对象归类到一起，再统一释放剩下的空间
  
  缺点：内存要浪费一半，利用率不高。如果有效的对象非常多，拷贝开销就会很大。

• 3.标记整理
  类似于顺序表进行删除时的搬运操作，让所有有效对象向一端移动。
  
  缺点：搬运的开销仍然很大。

• 实际上，JVM 采取的释放思路，是上述思路的结合体。

1）刚 new 出来的新的对象放到伊甸区，第一轮 GC 扫描，会把有效对象通过复制算法复制到幸存区中，伊甸区就可以整个释放了。
2）GC 线程会不断地继续扫描幸存区，把可达的对象拷贝到幸存区的另一部分。
3)当一个对象已经在幸存区存活过多轮GC 时，JVM 就会认为这个对象短时间内应该不会被释放掉，就会把这个对象拷贝到老年代。
4）进入老年代的对象，虽然也会被GC 扫描，但是扫描的频率就会比新生代低很多了。

注意点：
新生代中主要使用的是复制算法
老年代中主要使用标记整理
分代回收，是JVM 中回收的主要思想方法，但是在垃圾回收器具体实现的时候，可能还会有一些调整和优化。

总结

我们主要了解 JVM 的三个方面：JVM 内存区域划分、JVM 中类加载的过程和 JVM 中的垃圾回收机制。