初识JVM

这篇博客主要介绍JVM中的内存区域划分、双亲委派模型、垃圾回收机制。

一、JVM简介

JVM 是 Java Virtual Machine 的简称，意为 Java 虚拟机。
虚拟机是指通过软件模拟的具有完整硬件功能的、运行在一个完全隔离的环境中的完整计算机系统。
常见的虚拟机：JVM、VMwave、Virtual Box。
JVM 和其他两个虚拟机的区别：

1. VMwave 与 VirtualBox 是通过软件模拟物理 CPU 的指令集，物理系统中会有很多的寄存器；
2. JVM 则是通过软件模拟 Java 字节码的指令集，JVM 中只是主要保留了 PC 寄存器，其他的寄存器都进行了裁剪。

JVM 是一台被定制过的现实当中不存在的计算机。

二、内存区域划分

JVM是虚拟的，仿造了操作系统在进程运行时的区域划分。

JVM内存区域划分，相当于就是JVM进程从操作系统申请到了一部分空间，然后将这个空间划为不同模块，执行不同功能。

就像房间的布局：

JVM划分出的四个核心区域：

（一）程序计数器（线程私有）

它是一个很小的空间，用于记录cpu指令执行到哪一个地址了。

（二）方法区（线程共享）

方法区的作用：用来存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据的。 在《Java虚拟机规范中》把此区域称之为“方法区”，而在 HotSpot 虚拟机的实现中，在 JDK 7 时此区域叫做永久代（PermGen），JDK 8 中叫做元空间（Metaspace）。

当我们写一段代码，代码执行的流程是：

.java->.class->加载到内存中，元数据区就是用来存放当前类被加载好的数据。

（三）java虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈的作用：保存方法的调用关系。Java 虚拟机栈的生命周期和线程相同，Java 虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。咱们常说的堆内存、栈内存中，栈内存指的就是虚拟机栈。 Java 虚拟机栈中包含了以下 4 部分：

（四）堆（线程共享）

堆的作用：程序中创建的所有对象都在保存在堆中。

 堆里面分为两个区域：新生代和老生代，新生代放新建的对象，当经过一定 GC 次数之后还存活的对象会放入老生代。新生代还有 3 个区域：一个 Endn + 两个 Survivor（S0/S1）。

三、JVM类加载

（一）类加载的步骤

1.加载

根据类的全限定名（包名+类名，形如java.lang.String)，找到并打开文件，读取文件内容到内存里。

2.验证

校验.class文件读到的内容是否是合法的，并且把这里的内容转化成结构化的数据。

3.准备

给类对象申请内存空间并设置类变量初始化。

public static int value = 123;

初始化value的值为0，并非123。

4.解析

从.class文件里解析出来的字符串常量，放到内存空间里，并进行初始化，也就是初始化常量的过程。

5.初始化

针对刚才谈到的类对象进行最终的初始化，对类对象的的各种属性进行填充（包括这个类中的静态成员，如果这个类还有父类，而且父类还没加载，此环节也会触发父类的类加载）。

（二）双亲委派模型

提到类加载机制，不得不提的一个概念就是“双亲委派模型”。 站在 Java 虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用 C++ 语言实现，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。 站在 Java 开发人员的角度来看，类加载器就应当划分得更细致一些。自 JDK 1.2 以来，Java 一直保持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构器。

⭐️双亲委派模型的过程

进行类加载，通过全限定类名找 .class 文件时，会从 ApplicationClassLoader 作为入口开始。

然后把加载类的任务，委托给 “父亲”ExtensionClassLoader 来进行。ExtensionClassLoader 也不会立即进行查找，而是同样委托给 “父亲”BootstrapClassLoader 来进行。

BootstrapClassLoader 也想委托给 “父亲”，但由于没有 “父亲”，只能自己进行类加载。它会根据类名，在标准库范围内查找是否存在匹配的 .class 文件。若 BootstrapClassLoader 没有找到，会把任务还给 “孩子”ExtensionClassLoader，接下来由 ExtensionClassLoader 负责找 .class 文件的过程。找到就加载，没找到就把任务还给 “孩子”ApplicationClassLoader。最后由 ApplicationClassLoader 负责找 .class 文件，找到就加载，没找到就抛出异常。

⭐️双亲委派模型的优点

1. 避免重复加载类：比如A类和B类都有一个父类C类，那么当A启动时就会将C类加载起来，那么在B类进行加载时就不需要在重复加载C类了。
2. 安全性：使用双亲委派模型也可以保证了 Java 的核心 API 不被篡改，如果没有使用双亲委派模型，而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题，比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话，那么程序运行的时候，系统就会出现多个不同的 Object 类，而有些 Object 类又是用户自己提供的因此安全性就不能得到保证了。

四、JVM中的垃圾回收机制（GC）

在JVM划分的内存区域中，程序计数器中的数据在线程销毁的时候就自然释放掉了。

栈中的栈帧在方法结束，栈帧就释放了。

元数据区存放的是类加载好的数据，一般不会释放。

GC回收的是JVM中堆中的数据。

（一）找到垃圾

有以下几种方式：

1.引用计数

引用计数描述的算法为:

给对象增加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就+1；当引用失效时，计数器就-1；任何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的，即对象已"死"。引用计数法实现简单，判定效率也比较高，在大部分情况下都是一个不错的算法。比如Python语言就采用引用计数法进行内存管理。

但是引用计数不能解决循环引用的问题。

2.可达性分析

此算法的核心思想为：通过一系列称为 "GC Roots" 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称之为 "引用链"，当一个对象到 GC Roots 没有任何的引用链相连时 (从 GC Roots 到这个对象不可达) 时，证明此对象是不可用的。以下图为例：

对象 Object5-Object7 之间虽然彼此还有关联，但是它们到 GC Roots 是不可达的，因此他们会被判定为可回收对象。
在 Java 语言中，可作为 GC Roots 的对象包含下面几种：

1. 虚拟机栈 (栈帧中的本地变量表) 中引用的对象；
2. 方法区中类静态属性引用的对象；
3. 方法区中常量引用的对象；
4. 本地方法栈中 JNI (Native 方法) 引用的对象。

（二）回收垃圾

JVM使用可达性分析算法，就可以将要回收的垃圾进行标记，标记之后就能进行回收了。

1.标记-清除算法

把标记为垃圾的内存，直接进行释放。

因为在申请内存的时候，是申请的连续的空间，如果直接进行释放，就会造成内存碎片问题。

2.复制算法

当为对象申请空间时，额外申请一倍的空间。

申请的对象只会在一个空间里，当GC时会标记清除所有的垃圾，再把剩下的移到右边的新空间里，这样就能确保对象所在的内存是连续的。

缺点：内存的空间利用率是很低的。

一但不是垃圾的对象较多，那么复制空间的成本就很高。

3.标记-整理算法

在标记-清除算法的基础上，回收垃圾之后，将不是垃圾的对象进行“插空转移”，解决了内存碎片化问题。缺点是复制成本依旧很大。

4.分代算法

当前 JVM 垃圾收集都采用的是 "分代收集 (Generational Collection)" 算法，这个算法并没有新思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把 Java 堆分为新生代和老年代。在新生代中，每次垃圾回收都有大批对象死去，只有少量存活，因此我们采用复制算法；而老年代中对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须采用 "标记 - 清理" 或者 "标记 - 整理" 算法。

哪些对象会进入新生代？哪些对象会进入老年代？

• 新生代：一般创建的对象都会进入新生代；
• 老年代：大对象和经历了 N 次（一般情况默认是 15 次）垃圾回收依然存活下来的对象会从新生代移动到老年代。

新生代区又有两个部分：伊甸区（Eden）和幸存区（S0、S1）。

新创建的对象就先放在伊甸区，经过一次GC后，存活下来的就放入幸存区。

在幸存区中执行的就是复制算法，当在幸存区中经过GC达到一定次数后，就进入老年区。