深入理解 JVM(上)

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一：JVM体系概述

1：JVM是运行在操作系统之上的，他与硬件没有直接的交互。

二：JVM内存结构

　　Java虚拟机在运行时，会把内存空间分为若干个区域。Java虚拟机所管理的内存区域分为如下部分：方法区、堆内存、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

1、类装载器ClassLoader

　　负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识，并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则是由执行引擎（Execution Engine）决定。

虚拟机自带的加载器：

启动类加载器（Bootstrap）：由C++编写，不是前端框架Bootstrap。

扩展类加载器（Extension）：由Java语言编写

应用程序类加载器（App）：由Java语言编写，也叫系统类加载器，加载当前应用的classpath的所有类。

用户自定义加载器

Java.lang.ClassLoader的之类，用户可以定制的加载方式。

类加载器的双亲委派机制

某个特定的类加载器在加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成该加载任务时，才自己去加载。

沙箱机制（防止恶意代码对java本身的破坏）

当用户命名了和Java一样的类时，Java会首先加载自带的类。

2、方法区

　　方法区是线程共享的，通常用来保存装载的类的元结构信息。主要用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量，以及编译器编译后的代码等数据。

　　在jdk1.7及其之前，方法区是堆的一个“逻辑部分”（一片连续的堆空间）。也有人用“永久代”表示方法区。

　　在jdk1.8中，方法区已经不存在，原方法区中存储的类信息、编译后的代码数据等已经移动到了元空间（MetaSpace）中，元空间并没有处于堆内存上，而是直接占用的本地内存（NativeMemory）。

3：堆内存

一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类，方法，穿变量放到堆内存中去，　　

　　它是JVM管理的内存中最大的一块区域，堆内存和方法区都被所有线程共享，在虚拟机启动时创建。在垃圾收集的层面上来看，由于现在收集器基本上都采用分代收集算法，因此堆还可以分为新生代（YoungGeneration）和老年代（OldGeneration），新生代还可以分为Eden、From Survivor、To Survivor。

JAVA1.7如下图，但在Java1.8中，其他基本没变，只是将Perm变成了元空间

4：程序计数器

　　程序计数器是一块非常小的内存空间，可以看做是当前线程执行字节码的行号指示器，每个线程都有一个独立的程序计数器，因此程序计数器是线程私有的一块空间，此外，程序计数器是Java虚拟机规定的唯一不会发生内存溢出的区域。

5：虚拟机栈

虚拟机栈也是每个线程私有的一块内存空间，它描述的是方法的内存模型。

虚拟机会为每个线程分配一个虚拟机栈，每个虚拟机栈中都有若干个栈帧，每个栈帧中存储了局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等。一个栈帧就对应Java代码中的一个方法，当线程执行到一个方法时，就代表这个方法对应的栈帧已经进入虚拟机栈并且处于栈顶的位置，每一个Java方法从被调用到执行结束，就对应了一个栈帧从入栈到出栈的过程。

6、本地方法栈

虚拟机栈执行的是Java方法，本地方法栈执行的是本地方法（Native Method）,其他基本上一致

7：元空间

上面说到，jdk1.8中，已经不存在永久代（方法区），替代它的一块空间叫做“元空间”，和永久代类似，都是JVM规范对方法区的实现，但是元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize来指定元空间的大小。

三：垃圾回收机制

垃圾回收，就是通过垃圾收集器把内存中没用的对象清理掉。垃圾回收涉及到的内容有：1、判断对象是否已死；2、选择垃圾收集算法；3、选择垃圾收集的时间；4、选择适当的垃圾收集器清理垃圾（已死的对象）。

1:判断对象是否以死

判断对象是否已死就是找出哪些对象是已经死掉的，以后不会再用到的，就像地上有废纸、饮料瓶和百元大钞，扫地前要先判断出地上废纸和饮料瓶是垃圾，百元大钞不是垃圾。判断对象是否已死有引用计数算法和可达性分析算法。

（1）引用计数算法

给每一个对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加1；每当有一个地方不再引用它时，计数器值减1，这样只要计数器的值不为0，就说明还有地方引用它，它就不是无用的对象。如下图，对象2有1个引用，它的引用计数器值为1，对象1有两个地方引用，它的引用计数器值为2 。

这种方法看起来非常简单，但目前许多主流的虚拟机都没有选用这种算法来管理内存，原因就是当某些对象之间互相引用时，无法判断出这些对象是否已死，如下图，对象1和对象2都没有被堆外的变量引用，而是被对方互相引用，这时他们虽然没有用处了，但是引用计数器的值仍然是1，无法判断他们是死对象，垃圾回收器也就无法回收。

（2）可达性分析算法

了解可达性分析算法之前先了解一个概念——GC Roots，垃圾收集的起点，可以作为GC Roots的有虚拟机栈中本地变量表中引用的对象、方法区中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（Native方法）引用的对象。 
当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（GC Roots到这个对象不可达）时，就说明此对象是不可用的，是死对象。如下图：object1、object2、object3、object4和GC Roots之间有可达路径，这些对象不会被回收，但object5、object6、object7到GC Roots之间没有可达路径，这些对象就被判了死刑。

（3）方法区回收

上面说的都是对堆内存中对象的判断，方法区中主要回收的是废弃的常量和无用的类。 
判断常量是否废弃可以判断是否有地方引用这个常量，如果没有引用则为废弃的常量。 
判断类是否废弃需要同时满足如下条件：

• • 该类所有的实例已经被回收（堆中不存在任何该类的实例）
  • 加载该类的ClassLoader已经被回收
  • 该类对应的java.lang.Class对象在任何地方没有被引用（无法通过反射访问该类的方法）

2、常用垃圾回收算法

（1）标记-清除算法：分为标记和清除两个阶段，首先标记出所有需要回收的对象，标记完成后统一回收所有被标记的对象，如下图。

缺点：标记和清除两个过程效率都不高；标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片。

（2）复制算法：把内存分为大小相等的两块，每次存储只用其中一块，当这一块用完了，就把存活的对象全部复制到另一块上，同时把使用过的这块内存空间全部清理掉，往复循环，如下图。

缺点：实际可使用的内存空间缩小为原来的一半，比较适合。

（3）标记-整理算法：先对可用的对象进行标记，然后所有被标记的对象向一段移动，最后清除可用对象边界以外的内存，如下图。

（4）分代收集算法：把堆内存分为新生代和老年代，新生代又分为Eden区、From Survivor和To Survivor。一般新生代中的对象基本上都是朝生夕灭的，每次只有少量对象存活，因此采用复制算法，只需要复制那些少量存活的对象就可以完成垃圾收集；老年代中的对象存活率较高，就采用标记-清除和标记-整理算法来进行回收。

3、选择垃圾收集的时间

当程序运行时，各种数据、对象、线程、内存等都时刻在发生变化，当下达垃圾收集命令后就立刻进行收集吗？肯定不是，他们要在保证线程安全的前提下进行垃圾回收

　　安全点：从线程角度看，安全点可以理解为是在代码执行过程中的一些特殊位置，当线程执行到安全点的时候，说明虚拟机当前的状态是安全的，如果有需要，可以在这里暂停用户线程。当垃圾收集时，如果需要暂停当前的用户线程，但用户线程当时没在安全点上，则应该等待这些线程执行到安全点再暂停。理论上，解释器的每条字节码的边界上都可以放一个安全点，实际上，安全点基本上以“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定。

　　安全区：安全点是相对于运行中的线程来说的，对于如sleep或blocked等状态的线程，收集器不会等待这些线程被分配CPU时间，这时候只要线程处于安全区中，就可以算是安全的。安全区就是在一段代码片段中，引用关系不会发生变化，可以看作是被扩展、拉长了的安全点。

4、常见垃圾收集器

新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

老年代收集器：Serial Old、CMS、Parallel Old

堆内存垃圾收集器：G1

这些垃圾收集器同样很重要，可以自行百度了解其原理。