JVM学习笔记

JVM

JDK, JRE , JVM:

JDK(Java Development Kit),包括了Java运行环境JRE，一堆Java工具（编译器javac/java/jdb等）和Java基础的类库（即Java API 和java运行时基本类库rt.jar(runtime jar) 。

其中rt.jar包含所有核心Java 运行环境的已编译calss文件,其中包含引导类（bootstrap classes,即来自Core Java API的所有类）。

JRE（Java Runtime Envirnment）又包含JVM（Java Virtual Machine）java虚拟机。

光有JVM还不能完成.class字节码文件的执行，因为在解释class的时候JVM需要调用解释所需要的类库lib。 （jre里有运行.class的java.exe）。 所以JVM+lib=JRE。

总体来说就是，我们利用JDK（调用JAVA API）开发了属于我们自己的JAVA程序后，通过JDK中的编译程序（javac）将我们的文本java文件编译成JAVA字节码，在JRE上运行这些JAVA字节码，JVM解析这些字节码，映射到CPU指令集或OS的系统调用。

JVM内部架构：（runtime data area）（jdk8 Hotspot版）

runtime data area按属性可以分为以下两类：

• 一类属于进程(生命周期与进程相同，线程共享)，
• 另一类属于线程(生命周期与线程相同，线程私有)。

属于进程的有堆(Heap)和方法区(Method Area)。

属于线程的有程序计数寄存器(Program Counter Register)，Java栈(Java Virtual Machine Stack)以及本地方法栈(Native Method Stack)。

需要注意的是，堆中并不全是线程共享，本地线程分配缓存(简称TLAB 全写Thread Local Allocation Buffer)是线程私有的，只不过在默认情况下占堆的1%。

JVM栈：

栈解决程序的运行问题，描述的是 Java 方法执行的内存模型。每个方法在执行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。

每一个方法从调用直至执行结束，就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

其中局部变量表：存放了编译期可知的各种基本类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)

PC程序计数器：

存储的是下一条指令的地址，执行引擎(Execution Engine)根据PC寄存器将指令转化为机器语言。对于每个线程来说，需要执行的下一条指令的地址是不同的，在CPU快速切换的过程中，线程需要保存下一条指令的位置以便于下次CPU再次切换回来时继续执行，因此PC寄存器需要线程私有。

本地方法区native method area：

被native修饰的方法会存放到本地方法区中，在运行时调用本地方法接口JNI（java native Interface）去调用其他语言（一般是C，C++)去实现。（现在一般很少用到，主要是前期java发展需要借助C以及C++）

JVM参数调优针对的是进程区域

Meta Space元空间：

在jdk8中，元空间开始替代了方法区Method Area及堆中的Perm Gen永久代。并且元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

元空间被所有线程共享，存放了方法的定义信息，包括静态常量池（*.class文件中的常量池，包含了类信息如构造方法，接口定义等）及运行时常量池（编译期间生成的字面量、符号引用）。

然而注意字符串常量池以及类的实例化对象是在堆heap中的。

Heap堆：

垃圾回收主要针对堆Heap。存放了字符串常量池，数组以及类的实例化对象。

GC：Gabage Collection

垃圾收集是针对堆的。主要有两种形式：手工、自动，垃圾回收可以有效的防止OOM,（out of memory）内存泄露，有效的使用可以使用的内存。

手工：
调用的是System类中的gc()方法，此方法实际上调用的是Runtime类中的gc()方法，当一个对象被回收之前将调用类中的finlalize()方法，此方法为 Object类所提供，表示对象回收前的收尾工作。即使出现了异常，也不影响程序的执行。但是Java语言规范并不保证手动GC一定会执行。

自动：
对于GC来说，当程序员创建对象时，GC就开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。有两种标记方法：
1）引用计数法（reference counting）：给对象添加一个引用计数器，每当有地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1。引用计数法实现简单，判定效率高，但是它很难解决对象之间的互相或循环引用（引用环问题）的问题

2）所以通常使用第二种，可达性算法（根搜索算法GC roots）采用有向图的方式记录和管理堆(heap)中的所有对象。通过这种方式确定哪些对象是"可达的"，哪些对象是"不可达的"。当GC确定一些对象为"不可达"时（比如一个对象没有指向它的引用或者其赋值为null），GC就有责任回收这些内存空间。垃圾回收机以低优先级运行

GC的四种方法：
标记-清除法（Mark-Sweep）
：在标记（可达性算法标记）完成后统一回收所有被标记的对象。它是最基础的算法，后续算法都是基于它的不足而改进，主要不足有：效率问题，标记和清除效率都不高；另外一个是空间问题，标记清除后会产生大量不连续的内存碎片

复制算法（copying）：在新生代Young Gen中将内存划分为一块较大的Eden空间（所有新建对象都诞生在这）和两块较小的Survivor空间（一个命名为from，一个为to，会互相交换），每次只使用Eden和其中一块Survivor。当回收时，将Eden和使用的Survivor中还存活的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚刚使用过的Survivor空间。Hotspot默认Eden/Survivor/Survivor=8：1：1，当然我们没法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时（超过10%的对象存活），需要依赖其他内存进行分配担保（这里指老年代Tenured Gen），放不下的存活对象将进入老年代。（一般新生代中的对象默认经过15次GC后还存活也会进入老年代）

标记-紧凑法（mark-compact）：将存活对象往一端移动，按照内存地址一次排序，然后将末端边界之外内存直接清理（一般用于老年代）

分代收集算法（gennerational collecting）：JVM在实际垃圾回收中实际使用的是分代收集算法：根据对象存活周期的不同将内存划分为：新生代和老年代。
在新生代每次都只有少量对象存活，选用复制算法；
老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，老年代就必须使用标记-紧凑法或标记-清除法进行回收。

所以GC有两种，年轻代的Minor GC，另外一个就是老年代的Full GC；新对象创建时如果eden伊甸园空间不足会触发Minor GC，如果此时老年代的内存空间不足会触发Full GC。

双亲委派机制：（Parents Delegation Model）

首先要知道 JVM中提供了三层的ClassLoader：

Bootstrap classLoader:主要负责加载核心的类库(java.lang.*等)，其子加载器有ExtClassLoader和APPClassLoader。

ExtClassLoader：主要负责加载jre/lib/ext目录下的一些扩展的jar。

AppClassLoader：主要负责加载应用程序的主函数类

一个类加载的过程如下图：

当一个Hello.class这样的文件要被加载时。不考虑我们自定义类加载器，首先会在AppClassLoader中检查是否加载过，如果有那就无需再加载了。如果没有，那么会拿到父加载器ExtClassLoader，然后调用父加载器的loadClass方法。父类中同理也会先检查自己是否已经加载过，如果没有再往上。注意这个类似递归的过程，直到到达Bootstrap classLoader之前，都是在检查是否加载过，并不会选择自己去加载。直到BootstrapClassLoader，已经没有父加载器了，这时候开始考虑自己是否能加载了，如果自己无法加载，会下沉到子加载器去加载，一直到最底层，如果没有任何加载器能加载，就会抛出ClassNotFoundException。这种机制从一定程度上防止了危险代码的植入