JVM内存模型解析

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一、JVM知识体系

1. 类加载机制 类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责将Java源代码编译生成的.class文件转换为运行时可以使用的Java类型。类加载过程可以分为以下几个阶段：

   • 加载：类加载器负责将.class文件加载到JVM中。加载过程包括读取二进制文件，并解析成内存中的Class对象。
   • 验证：确保加载的.class文件的字节码是有效的，并且不会危害JVM的安全。验证过程包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
   • 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。这里的类变量包括静态变量和编译时常量。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用。符号引用是编译时的类、接口、字段和方法的引用，直接引用是直接指向对象的指针、偏移量或方法句柄。
   • 初始化：执行类构造器 ()方法，完成静态变量赋值和静态代码块的执行。初始化过程是类加载的最后一步，也是最重要的步骤。

2. 类加载过程

   • 加载：类加载器负责加载类，并将类信息存储在方法区中。JVM提供了多种类加载器，包括Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。
   • 连接：连接阶段负责将类信息从方法区转移到运行时数据区，并确保类信息正确无误。连接过程包括验证、准备和解析。
   • 初始化：初始化阶段负责执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值和静态代码块的执行。

3. 双亲委派模型 双亲委派模型要求除了顶层的Bootstrap ClassLoader外，其余类加载器都采用父委托的方式加载类。当一个类加载器收到类加载请求时，它会首先委托给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才自己尝试加载。这种模型确保了Java程序的稳定性和安全性。

4. 自定义类加载器 自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类来实现。自定义类加载器可以加载特定类路径下的类，实现特殊加载逻辑，例如实现热部署功能。

5. 模块化系统（JPMS） Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，旨在提高Java应用程序的性能、安全性和可维护性。模块化系统通过将代码组织成模块，并定义模块间的依赖关系，实现代码的模块化和复用。每个模块都有一个唯一的名称，模块内部定义了包的可见性，模块间通过模块间导包来建立依赖关系。

二、内存模型

1. 运行时数据区 JVM运行时数据区主要包括堆、栈、方法区和PC寄存器。

   • 堆：堆是所有线程共享的数据区域，用于存储对象实例。堆的大小可以通过JVM启动参数设置。
   • 栈：栈是线程私有的数据区域，用于存储局部变量和方法调用信息。栈的大小通常比堆小，且在创建线程时就确定。
   • 方法区：方法区是线程共享的数据区域，用于存储类信息、常量、静态变量等。方法区的大小也由JVM启动参数设置。
   • PC寄存器：PC寄存器存储当前线程正在执行的指令的地址。

2. 内存溢出场景分析 内存溢出主要发生在堆内存和栈内存。堆内存溢出可能由对象创建过多、单个对象占用空间过大等原因导致；栈内存溢出可能由方法调用层次过深、循环递归等原因导致。

3. 直接内存管理 直接内存（Direct Memory）是堆外内存，不属于JVM运行时数据区。Java NIO通过使用ByteBuffer类提供了对直接内存的访问，可以减少数据在堆内存和直接内存之间的复制次数，提高性能。

4. 垃圾回收 垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的关键技术。垃圾回收算法包括标记-清除算法、复制算法和整理算法。

   • 标记-清除算法：标记需要回收的对象，然后清除标记的对象。
   • 复制算法：将对象在内存中分为两个区域，每次只使用其中一个区域，当使用完毕后，将对象复制到另一个区域。
   • 整理算法：标记-清除算法的改进版，将标记的对象移动到内存的一端，清理未被标记的对象。

5. GC Roots可达性分析 GC Roots是一组特殊的对象，用于确定哪些对象是可回收的。从GC Roots开始，遍历可达性分析算法，找出所有可达的对象，不可达的对象将被回收。

6. 分代收集理论 分代收集理论将内存分为多个区域，针对不同区域的回收算法进行优化。通常，内存分为年轻代（Young）和老年代（Old）。

7. 引用类型 Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

   • 强引用：最常见的引用类型，不会使对象被回收。
   • 软引用：允许垃圾回收器在内存不足时回收对象。
   • 弱引用：与软引用类似，但垃圾回收器在内存不足时会立即回收对象。
   • 虚引用：用于跟踪对象生命周期，无法访问对象实例。

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