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Java Virtrual Machine 运行java文件 JVM虚拟机

jdk:java development Kit java开发工具包 包含jre

jre:java Runtime Envirement java运行环境  包含 JVM

运行时数据区

什么是运行时数据区（就是我们java运行时的东西是放在那里的）

红色为线程私有数据区

绿色为线程共享数据区

1. 程序计数器（Program Counter Register）

• 作用：记录当前线程所执行的字节码的地址。可以看作是执行当前指令的指针。
• 特点：线程私有，每个线程有独立的程序计数器，因为Java的多线程通过线程轮流切换来实现。
• 内容：如果执行的是本地方法，程序计数器为空（undefined）。

2. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

• 作用：存储方法调用和执行过程中所需要的局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址等。
• 特点：线程私有，生命周期与线程相同。
• 栈帧：每个方法执行时，会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、方法返回地址等信息。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）

• 作用：为JVM执行本地方法（Native Method）服务，与Java虚拟机栈类似，只不过它是用来执行Native方法的。
• 特点：线程私有，负责调用本地代码（通常是用C/C++编写的）。

4. 堆（Heap）

• 作用：用于存储所有Java对象和数组，所有线程共享的内存区域。
• 特点：堆是垃圾回收机制（GC）的主要管理区域。根据对象的生命周期，堆可以进一步划分为“年轻代”和“老年代”，以提高GC的效率。
• 分代回收：堆被分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation），年轻代主要存储短命的对象，老年代存储长期存活的对象。

5. 方法区（Method Area）

• 作用：存储类的结构信息、常量、静态变量、即时编译器（JIT）编译后的代码等。
• 特点：也是线程共享的区域，常被称为“永久代”（PermGen），在JDK 8之后被称为“元空间”（Metaspace）。
• 元空间：Metaspace使用的是本地内存，而不是堆内存。

Java内存结构

直接内存（Direct Memory）

• 作用：直接由操作系统内存分配和管理，不属于JVM运行时数据区的一部分，但也常用，主要用于NIO（New Input/Output）操作。
• 特点：高效，避免了Java堆与操作系统内存之间的二次拷贝。

直接内存与堆内存的区别：

直接内存申请空间耗费很高的性能，堆内存申请空间耗费比较低
直接内存的IO读写的性能要优于堆内存，在多次读写操作的情况相差非常明显

类的加载过程

三个主要阶段：加载、链接、初始化

1. 加载（Loading）

这是类加载的第一个阶段，负责将类的字节码读入内存并创建 Class 对象。这个阶段的具体流程如下：

• 通过类加载器（如启动类加载器、应用类加载器、自定义类加载器等）找到类的 .class 文件。
• 读取该类文件，并将它的字节码内容加载到 JVM 内存中。
• 为该类在内存中创建一个对应的 Class 对象，用来封装类的所有信息。

2. 链接（Linking）

链接阶段将类的字节码合并到 JVM 中，它包括三个子阶段：

• 验证（Verification）：

  • 检查类的字节码是否符合 JVM 的规范，保证类文件没有被破坏或篡改，确保它的安全性和正确性。

• 准备（Preparation）：

  • 为类的静态变量分配内存并设置默认初始值。这里注意，静态变量仅分配内存，并未赋值（如果有赋初值是在初始化阶段进行的）。

• 解析（Resolution）：

  • 将常量池中的符号引用转换为直接引用。例如，将类、字段、方法等符号引用解析为实际内存地址或指针。

3. 初始化（Initialization）

这是类加载的最后阶段，初始化阶段会执行类中的静态初始化块和静态变量的赋值操作。此时 JVM 开始执行类的 <clinit> 方法（由编译器自动生成，包含静态初始化代码），并完成所有静态变量的初始化。

类加载器

1. 启动（Bootstrap）类加载器
2. 扩展（Extension）类加载器
3. 系统类加载器
4. 自定义加载器

双亲委派机制

双亲委派机制是指，类加载器在尝试加载某个类时，会先将请求交给父类加载器处理，逐层向上，直到委派给最顶层的启动类加载器。如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载。

为什么要有双亲委派机制？

• 安全性： 双亲委派机制确保了核心类库不会被篡改或覆盖。例如，如果没有双亲委派机制，某个自定义类加载器可以自己加载 java.lang.String 类，那么这可能导致核心类被恶意替换，破坏 JVM 的运行。

• 避免重复加载： 如果类加载器不遵循双亲委派机制，那么同一个类可能会被多个类加载器重复加载，导致类的定义不一致，产生 ClassCastException 等问题。

垃圾回收机制

JVM的垃圾回收机制（Garbage Collection，GC）负责自动管理内存，回收不再使用的对象，避免内存泄漏。GC通过跟踪对象的生命周期，释放不再需要的内存资源。主要的垃圾回收机制涉及对象分代管理和回收算法。主要用于Java堆的管理

分代垃圾回收（Generational Garbage Collection）

JVM根据对象的生命周期将堆内存分为不同的区域，以提高GC的效率。通常分为年轻代和老年代。

年轻代（Young Generation）

• 特点：大多数对象在年轻代创建，生命周期较短。年轻代又分为三个部分：
  • Eden区：新对象首先分配在Eden区。
  • Survivor区（S0和S1）：当对象在Eden区存活后，进入Survivor区，两者会在GC过程中互相切换。
• Minor GC（年轻代GC）：当Eden区满了时触发，回收年轻代的内存。存活下来的对象会移动到Survivor区或老年代。

老年代（Old Generation）

• 特点：存放长生命周期的对象。当对象在年轻代多次经历GC后，仍然存活，就会被移动到老年代。

• Major GC（老年代GC）或Full GC（全堆GC）：发生在老年代满了时，会回收老年代和年轻代的内存。这通常比Minor GC耗时更多。

垃圾回收算法

JVM采用多种算法来处理不同区域的对象。常用的GC算法包括：

标记-清除算法（Mark-Sweep）

• 过程：

  1. 标记阶段：从GC Roots出发，标记所有可达的对象。
  2. 清除阶段：回收所有未标记的对象。

• 优点：简单，直接清理无用对象。

• 缺点：容易产生大量不连续的内存碎片，导致后续内存分配效率低。

标记-整理算法（Mark-Compact）

• 过程：

  1. 标记阶段：与标记-清除算法相同，标记可达对象。
  2. 整理阶段：将所有存活对象移动到内存的一端，整理出连续的内存空间。

• 优点：避免内存碎片问题。

• 缺点：对象移动需要额外的开销，处理速度比标记-清除略慢。

复制算法（Copying）

• 过程：

  1. 将内存分成两个等大小的区域，先在其中一个区域分配对象。
  2. 当该区域满时，将存活的对象复制到另一个区域，清空旧区域。

• 优点：回收效率高，简单，无内存碎片问题。

• 缺点：需要双倍内存，浪费空间。适用于年轻代，因为年轻代对象存活率低，复制开销较小。

分代收集算法（Generational Collection）

• JVM结合了上述几种算法的优点，按对象的生命周期进行分代管理：
  • 年轻代：使用复制算法，效率高。
  • 老年代：使用标记-整理或标记-清除算法，减少碎片。

垃圾回收器

JVM中有多个GC收集器，不同的GC收集器适用于不同的应用场景。

Serial GC

Serial 收集器：新生代。发展历史最悠久的收集器。它是一个单线程收集器，它只会使用一个 CPU 或者线程去完成垃圾收集工作，而且在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。

特点：

• 新生代收集器，使用复制算法收集新生代垃圾。
• 单线程的收集器，GC工作时，其它所有线程都将停止工作。
• 简单高效，适合单 CPU 环境。单线程没有线程交互的开销，因此拥有最高的单线程收集效率

Parallel GC（吞吐量优先）

• 多线程收集器，年轻代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理。
• 优点：适合并发执行，提高吞吐量。
• 缺点：GC暂停时间可能较长。

CMS GC（Concurrent Mark-Sweep，低停顿优先）

• 主要针对老年代，使用标记-清除算法，目标是减少GC停顿时间。
• 优点：并发收集，停顿时间短，适合需要低延迟的应用。
• 缺点：容易产生内存碎片，需要更多的CPU资源。

G1 GC（Garbage-First）

• 适用于大内存、多核CPU的应用，将堆划分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域。
• 优点：兼顾吞吐量和低停顿时间，适合大规模应用。
• 缺点：相对复杂，调优较难。

ZGC

• 低停顿的垃圾收集器，设计用于处理超大堆内存（TB级别）。
• 优点：几乎所有GC工作都是并发进行，停顿时间极短（低于10ms）。
• 缺点：仍然较新，可能需要更高的硬件支持。