网络编程6（JVM）

在学习Java的时候会接触到这样三个概念：

JDK(Java开发工具包，写/编译Java代码时需要的内容)

JRE(JAVA运行环境，运行Java代码需要的环境)

JVM(Java虚拟机，JRE的核心模块)

传统的虚拟机，其实是通过软件的来模拟出硬件，构造出新的电脑，甚至可以在上面安装新的系统。而Java中的虚拟机，其实不能模拟出电脑上的所有硬件设备（只有一部分），只能运行Java的代码，所以JVM其实是Java语言的“运行环境”，JVM的核心功能其实就是将Java语言翻译成CPU的指令。这样的做法相较于C/C++是低效的，后者写出的程序就是标准的CPU指令，但是带来的好处就是Java可以做到跨平台和操作系统进行运行，同一个程序，可以在不同的操作系统和不同架构的CPU上进行运行（不同架构的CPU支持的指令是不同的，要通过不同的编译器进行翻译，得到CPU可以执行的指令），这样的操作在C/C++上是十分麻烦的，要想在不同的操作系统进行运行就需要学习不同操作系统的API，而Java中的API就是提供了很多版本的API，这些API在Java代码上都是统一要求的，这样在不同操作系统下JVM就可以将Java语言翻译成不同的CPU指令，这样也就弥补了编译时的时间长，转而提高了开发的效率。

JAVA程序是怎么运行的

1.当我们在编译器上写了Java代码时，就会生成了.java文本文件。

2.编写之后就会通过javac这样的命令行工具，将.java这样的文件编译成.class文件，一个.java文件中有多个.class文件，我们在.java中写的所有class都对应着一个.class文件。

3.通过Java这样的命令行工具，就可以运行.class文件，java命令行工具对应到一个Java进程，这个进程就可以表示一个JVM进程，jvm进程就可以对class文件进行解释了。

JAVA中的抛出异常就是在过程3进行的。

JAVA的内存划分

JAVA程序运行起来得到的JAVA进程需要申请一块内存空间，会把这一块内存空间划分成多个区域，不同区域的执行功能不一样，简单的来说，JAVA中的内存划分主要是

程序计数器（PC）：

非常小的一个内存空间，一般只有八字节，用来存储“地址”，描述当前Java程序要运行的下一个字节码位置，一个Java进程中有多个程序计数器，每一个线程都有一个程序计数器来记录。程序计数器就类似于书签。

程序计数器中的值Java代码控制不了。

元数据区（方法区）：

元数据区里是存储方法相关的指令，更准确地说其实是类的指令。Java中创建对象要基于类来执行，对象是在内存中存储的，类当然也是，所以会在元数据区中存储有关类的信息，例如：类的名字，类中的方法和属性等，.class文件就通过二进制的形式表示上面的内容。

类在JVM中是单例的，在一个Java进程中一个类对象只能有一个，由JVM自身控制的。

元数据区中的值也是Java代码控制不了的。

栈

这个区域中保存着方法间的调用关系，把JVM中的栈称为“栈帧”，每一个栈帧就代表着一次方法的调用，栈帧中有方法的参数，方法中的局部变量，方法执行结束后跳转回的地址和返回值的结果。

每个线程都有一个栈，记录着当前线程中的方法的调用关系。

堆

堆中存放着new出来的对象，对象所在的空间就在堆中。使用图形理解更直观：

Tast中的方法不管new出多少对象，都只有一份，而像n这样的成员变量就是每new一次就会重新创建。

空间大小及数量分配：

所以局部变量存在栈中，成员变量存在堆中，静态成员变量存在元数据区。

类加载

类加载其实就是JVM从最开始读取.class文件，到最后的构造完整个类对象的整个过程。

类加载有五个步骤：

步骤一：编写

1）根据代码中的“全限定类名”（包名+类名）找到.class文件（寻找的过程就是双亲委派模型）。

2）打开文件，将文件中的数据加载到内存中。

3）将数据结构进行解析

.class文件是二进制的，要如何解析，数据的结构是怎么样的。这些问题在Java文档中都有解释

，.class文件中包含了类的成员，类的编号，类的父类等

步骤二：验证

校验上面.class文件读出来的内容是否是合法的，如果在校验过程中格式出现错误，就要及时报错。

步骤三：准备

给类对象分配空间，此处申请的内存空间是一个未初始化的内存空间，空间上的每一个字节都是全“0”，此时类对象中的静态成员也就是0。

步骤四：解析

针对常量进行解析，类对象中会涉及到一些常量，常量通常也是要放在内存中的。需要把class文件中的常量加载到内存中。

步骤五：初始化

这里就会针对用户写的代码进行初始化，类的静态成员就要真正初始化了，此时例如静态成员的赋值操作就要开始了，静态代码块，针对父类和实现接口的加载就要开始了

什么时候涉及到类加载

类加载是更倾向于“懒汉模式”，相较于JVM一次性全部将.class加载，“懒汉模式”其实更加科学。当我们用到一个类的时候，再去加载。那么什么是用到一个类呢

1）创建类的实例时。

2）调用类的静态方法/类的静态成员。

3）使用子类的时候，也会触发父类的加载。

双亲委派模型

双亲委派模型是类加载中的一个环节，也就是JVM在寻找.class文件的方法。JVM进行类加载操作，需要使用JVM中的一个模块（类加载器  class loader ）

类加载器JVM自带三种

Bootstrap loader ：

负责在JAVA标准库中的寻找。

Extension loader :

负责在扩展库中寻找。

Application loader :

负责在第三方库/当前项目中寻找。

这三个类加载器之间存在“父子”关系（不是继承关系），B加载器最大，E加载器第二，A加载器最小加载器之间的关系是固定的由源码决定。A加载器是类加载的入口，当有任务时会先会进入A加载器，但是A加载器不会自己进行查找，而是交给自己的上一级E加载器，E加载器也不会进行查找，而是再次交给自己的上一级B加载器。当B加载器拿到任务，此时B就会发现自己的上级是NULL，此时就这个B加载器就会自己开始查询，如果没有就会从小交给下面的加载器，直到找到，然后继续加载。如果没有找到就会抛出异常。

双亲委派模型，就是为了保证类加载的优先级，例如我们自己写的类和标准库中的类重名，此时就还是加载标准库中的类。

JAVA垃圾回收机制（GC）

在C/C++中，申请用完的内存空间是需要手动进行释放的，不然会导致内存泄漏这样的问题，而Java中引入了垃圾回收机制来处理内存释放，垃圾回收机制大大解放了程序员，提高了工作效率，使内存释放由手动变为自动，但是GC也会降低运行速度。

GC在执行时会触发STW（stop the world）问题，其他线程就无法继续工作了。

1.GC回收的区域是哪个部分？

主要是堆

2.GC回收是以字节为单位的吗

不是的，主要是以对象为单位。当内存中出现正在使用的对象，GC不会回收；出现没使用的对象，也不会回收；出现使用一部分的对象，此时也不会回收。按照对象维度进行回收更加方便，如果按照字节维度进行回收，此时就需要表示出每个对象哪些需要回收，哪些不需要，这样就更加麻烦。

3.如何回收

第一是找到垃圾，找到哪些对象是不继续使用了；第二是释放内存。那么接下来的问题就是如何找到垃圾了。

如何找到垃圾

在Java中使用对象，往往是通过“引用”来使用的，使用对象，无非就是通过实例化对象来访问对象中的成员和属性，通过 . 的方式，而 . 前面的就是指向对象的引用。如果没有任何一个引用指向这个对象，就可以认为这个引用是无用的。所以如何找的垃圾就转换成如何判断一个对象是否有引用指向。

在《在深入理解JVM》一书中就介绍了两种方法：引用计数和可达性分析（引用计数不是使用在JAVA而是在别的语言中使用）

如果是在JVM中进行垃圾的查找就只有可达性分析，如果是垃圾回收机制中就是有两种方式。

1.引用计数

引用计数是通过一个计数器来记录一个对象是被多少引用指向。例如当我们通过一个引用指向一个实例时，此时在堆中的对象中就有一个计数器会记录，当计数器为0时就代表这个对象是无用对象 。但是这样的方法有两个缺陷：内存消耗较大和循环引用问题。

内存消耗较大主要是当对象内存较小时，计数器额外的开销。循环引用举例就是两个引用内部的应用都指向对方的对象，此时两个对象中的计数器就会显示有两个引用指向，但是当将这两个引用都设为null时，此时两个计数器都只会减一，就会导致这两个对象无法释放，同时无法通过任何引用访问到这两个对象。

2.可达性分析

在Java中“可以访问的对象”一定是可以通过一系列的操作进行访问的。

例如创建遍历二叉树，就需要通过引用来进行访问，当两个节点之间有引用指向，此时就是可以通过引用指向来进行访问。JVM安排专门的线程，负责上述的“扫描”的过程会从一些特殊的引用开始扫描（GCroots)
1.栈上的局部变量（引用类型）
2.常量池里指向的对象（final修饰的，引用类型)
3.元数据区（静态成员，引用类型)

JVM会通过这些特殊的引用开始访问一些可能被访问的对象，但凡被访问到的对象都可标记为可达的，而JVM就会根据对象列表，对标记剩下的就是垃圾了，这样的操作不需要额外的内存空间，而是在执行过程中触发STW，使用时间换取了空间了。

如何释放内存

内存回收涉及到一些算法

1.标记，清除

标记就是可达性分析，清除就是将内存直接释放（通过free/delete的方式释放）。

但是这样的操作可能导致内存碎片化的情况（总的内存空间是足够的，但是不是连续的），下次申请连续内存的时候就可能会失败。

2.复制算法

这样的算法是为了解决内存碎片化问题，就是划分出两个内存，将不是垃圾的对象放到另一部分，然后将另一半全部清零。这样的方法缺点就是空间浪费严重，如果复制对象太大复制开销就太大。

3.标记，整理

将后面的对象放到前面，类似于顺序表的搬运。但是这个方法也不是健全健美。

4.分代回收（综合方案）

将对区域划分成两个区域，一个是新生代一个老生代。“年龄”就是垃圾回收机制可达性分析扫描的次数，如果每一个对象被扫描一次没被淘汰的，年龄就加一。在新生代区又被分为三个区域伊甸区，幸存区，刚创建的新对象经过一轮GC就进入伊甸区，如果又经过一轮没被淘汰，就进入幸存区（相当于复制算法），往后就一直在两个幸存区中经过一轮又一轮CG，当年龄到达老年的标准就进入老年代区，进入老年代进行CG轮次就会比较少，老年代淘汰的次数就大大减少。