JVM原理理解——类的加载过程和GC原理

一、类开始加载

         类的加载过程大体上可以分为7个步骤：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。下面对这7个步骤，详细的说下本人的理解：

1.1 加载

        jvm加载器根据类的签名（全路径名），以双亲委派的查找方式，读取class文件的二进制流到内存，存储与方法区，jdk1.8之后，修改为元数据区，并将其转化为一个与目标类型对应的java.lang.Class对象实例，存储于方法区，作为方法入口。

 1.2 验证

        验证类的信息，是否符合JVM的规范，是否是一个有效的字节码文件。

        验证的内容包括：格式信息，验证是否符合class的文件规范，比如jvm的魔法数验证；语义验证：java的一些修饰符验证，比如final。

1.3 准备

        主要是为static变量分配空间，并初始化值，是系统自身的初始化值，并非static变量的赋值。final变量直接赋值。

1.4 解析

        这个阶段将常量池中的符号引用，替换为直接引用，举个例子说明下，比如常量Constant.WZW，在常量池中的值为"wanggou"，会直接将变量WZW的值赋为"wanggou"的引用地址。

1.5 初始化

        对类的静态变量进行赋值，执行静态方法的过程，可以理解为只执行类中static修饰的变量和方法，如果一个类中没有static变量或者方法，编译器不会初始化这个类，如果类中有多个static变量或者方法，自上而下执行。

1.6 使用

        使用说下线程的内存区域，两个区域需要关注：栈和堆。

        （1）每条线程都有一个私有区域，私有区域包括程序计数器、虚拟机栈（存储线程运行过程中的信息）、本地方法栈（存储JVM自身运行信息）。

        程序计数器，可以参考另一篇文章，本地方法栈不用太多关注，作为程序员，主要关注线程执行时，临时变量存储的虚拟机栈。

        虚拟机栈有如下特点：

• 栈为线程私有，生命周期和线程一样；
• 线程中每个方法，对应一个栈帧，存储在虚拟机栈中，栈帧也可以分为四个部分：本地变量表——存储方法的局部变量、对象引用、操作数栈——cpu的分片执行逻辑使用，存储方法执行位置、常量池的引用、方法出口

        （2）线程的共享区域：元数据区域+堆

        元数据区域，从存储的数据特点可以理解，至于堆，线程的栈中已经可以存储数据，为什么还需要开辟堆来存储对象信息？因为栈是纵向的，对于大小时长变化的变量对象，不好横向扩展，需要需要堆来存储线程中使用的对象。

1.7 卸载

        GC原理，可以参考第三节内容。

    如上图所示，一直到初始化部分，JVM完成了一个类的加载过程。过程中要点梳理如下：

• 双亲委派加载

    类加载时，首先都不要自己尝试去加载，都是委托给父类加载，父类找不到，在尝试自己加载。好处是：使用不同的类加载器，最终得到的都是同样的Object对象。

    加载流程图如下：

• 准备阶段的初始化和初始化阶段区别

    准备阶段的初始化，是JVM为static变量分配好内存空间后，系统的初始化值，而运行前的初始化阶段，是将static变量设置成程序中指定的值。举个例子

private static String name="cc";

    准备阶段的初始化值，name值为null，系统为String对象分配的默认值，到初始化阶段，才会被赋值“cc”；

二、JVM运行状态内存区域

    讨论完类的加载，所以进入到类的运行步骤，即【使用】阶段。首先需要清楚内存的布局。

    Java程序运行的最基本单位是线程，从线程的角度来看JVM内存区域的分配

    

三、垃圾回收机制

    Java程序的运行，由于没new一个对象，都会为其在堆中分配存储空间，如果一直不回收无用的对象，堆很快就会没有存储空间而OOM。

    所以Java后台服务线程中有垃圾回收线程，即GC线程。

    怎么来GC呢？第一步，需要确定堆中那些是垃圾对象。

3.1. 垃圾定位算法

    确定的方法有两种引用计数法和根搜索算法。由引用计数法迭代到根搜索算法，也是一个发现问题到解决问题的过程。因为引用计数法无法解决循环引用的问题。

3.1.1 引用计数算法

    引用计数法比较简单，也是JVM最初使用的确定“垃圾”的算法，原理就是对象有一个引用，计数器就加1，减少一个引用，计数器就减1，当计数器为0时，就表示对象没有引用，对象死亡，成为垃圾。但是这种算法，不能解决两个对象相互引用的场景，所以被根搜索算法代替。

3.1.2 根搜索算法

    通过一些列GC Roots的点作为起点，向下搜索，当任何一个对象到任何GC Roots没有引用链相连，说明对象已经死亡，可以回收。

3.2 垃圾回收算法

    垃圾回收算法，介绍四个：标记-清除算法（Mark-Sweep）,复制算法（coping）、标记-整理算法（Mark-Compact）、分代收集算法（Generational Collection）。主要介绍这四种垃圾回收算法，是因为目前主流的分代回收，是从之前的三种算法改进而来，吸取各个垃圾回收算法的优点、摒弃缺点，理解前三种算法的原理与不足，有助于理解分代回收算法的设计。

3.2.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

    此算法执行分两阶段。第一阶段从引用根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。

    缺点：此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片 。

3.2.2 复制算法（coping）

    此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。次算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理，不会出现“碎片”问题。

    缺点：就是需要两倍内存空间。

3.2.3 标记-整理算法（Mark-Compact）

    此算法结合了“标记-清除”和“复制”两个算法的优点。也是分两阶段，第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，把清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。

    缺点：比较耗时，而且做了很多无意义的工作，因为有的生命周期很长的对象，每次扫描都是“存活”状态，不需要多次扫描。基于此不足，大名鼎鼎的分代回收算法就出现了。

3.2.4 分代回收算法（Generational Collection）

    分代回收的主要思想，就是根据对象的生命周期不同，采用不同的回收算法。所以将JVM分为年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation）、持久代（Permanent Generation）,对不同的代采用不同的垃圾回收算法。

• 年轻代主要是快速的回收掉那些生命周期比较短的对象，所以会经常发生GC操作，采用复制算法作为垃圾回收算法，主要将年轻代分为三个区域：Eden Space(新生区)、两个Survivor Space（幸存区），具体原理如下：

    所有新生成的对象都是放在年轻代的。年轻代的目的就是快速收集掉那些生命周期比较短的对象。年轻代内存相对比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代一般分为三个区：一个Eden Space，两个Survivor Space（一般两个，可配置多个，为了便于说明，这里命名为A和B ）。当对象在堆中创建后，会进入年轻代的Eden space，当Eden Space满时，复制对象到A Survivor Space，垃圾回收器会扫描Eden Space和A Survivor Space，如果对象还存活，则复制到B Survivor Space，如果B Survivor Space已满，则年老代（Old Gen）。在扫描Survivor Space时，如果对象经过几次扫描，仍然存活，JVM认为是持久化对象，则将其移动道Old Gen。扫描完毕，JVM将Eden Space和A Survivor Space清空，并且讲A和B的角色交换（即当Eden Space满时，会向B Survivor Space复制对象，扫描器会扫描Eden Space和B Survivor Space），这样可以避免内存碎片。

• 老年代主要是生命周期比较长的对象（经过年轻代多次，默认5次，回收还存活的对象），或者是一些比较大的对象，会直接放到老年代。老年代采用标记整理算法作为垃圾回收算法，可以避免内存碎片（将存活的对象移动到内存的一边，即整理内存）。
• 持久代主要存放类定义、字节码和常量等很少会改变的信息，JVM目前采用老年代的算法做持久代的垃圾回收策略。

3.3 垃圾回收触发点

    需要清楚垃圾回收的触发点，也会了解OOM的触发点，哈哈

    主流的垃圾回收算法为分代回收，所以讨论垃圾回收的触发点，需要分为年轻代和老年代来触发（持久代和老年代一起）。

3.3.1 Scavenge GC

    一般情况下，当新对象创建，想Eden Space申请空间失败时，就会出发Scavenge GC，对Eden Space进行GC，清除不存活的对象，并且把尚存活的对象移动到Survivor Space。然后整理两个Survivor Space，这种GC方式是对Younge Gen的Eden Space进行的，不会影响到Old Gen。大部分对象都是从Eden Space开始的，并且Eden Space不会分配的很大，所以Eden Space的GC会很频繁，并且需要使用速度快、效率高的算法，使Eden Space尽快空闲出来。

3.3.2 Full GC

    Full GC是对整个堆进行整理的，包括Young、Old Gen和Permanent Gen。因为Full GC是对整个堆进行空间整理，所以会比Scavenge GC慢很多，因此应该尽量减少Full GC的次数。触发Full GC的点包括：

·年老代（Old Gen）被写满
·持久代（Permanent Gen）被写满
·System.gc()强制触发
·上次GC后，Heap的各域分配策略动态变化。