JVM学习笔记

内存模型

JVM的内存模型介绍一下

根据 JDK 8 规范，JVM 运行时内存共分为虚拟机栈、堆、元空间、程序计数器、本地方法栈五个部分。还有一部分内存叫直接内存，属于操作系统的本地内存，也是可以直接操作的。

JVM的内存结构主要分为以下几个部分：

• 元空间：元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

• Java 虚拟机栈：每个线程有一个私有的栈，随着线程的创建而创建。栈里面存着的是一种叫 “栈帧” 的东西，每个方法会创建一个栈帧，栈帧中存放了局部变量表（基本数据类型和对象引用）、操作数栈、方法出口等信息。栈的大小可以固定也可以动态扩展。

• 本地方法栈：与虚拟机栈类似，区别是虚拟机栈执行 Java 方法，本地方法栈执行 native 方法。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方法与数据结构没有强制规定，因此虚拟机可以自由实现它。

• 程序计数器：程序计数器可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多内核来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，我们称这类内存区域为 “线程私有” 内存。

• 堆内存：堆内存是 JVM 所有线程共享的部分，在虚拟机启动的时候就已经创建。所有的对象实例和数组都在堆上分配，这部分空间可通过 GC 进行回收。当申请不到空间时会抛出 OutOfMemoryError。堆是 JVM 内存占用最大、管理最复杂的一个区域。JDK 1.8 后，字符串常量池和运行时常量池从永久代中剥离出来，存放在堆中。

• 直接内存：直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 Java 虚拟机规范中定义的内存区域。在 JDK 1.4 中新加入了 NIO 类，引入了一种基于通道 (Channel) 与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

JVM内存模型里的堆和栈有什么区别？

• 用途：栈主要用于存储局部变量、方法调用的参数、方法返回地址以及一些临时数据。每当一个方法被调用，一个栈帧（stack frame）就会在栈中创建，用于存储该方法的信息，当方法执行完毕，栈帧也会被移除。堆用于存储对象的实例（包括类的实例和数组）。当你使用new关键字创建一个对象时，对象的实例就会在堆上分配空间。

• 生命周期：栈中的数据具有确定的生命周期，当一个方法调用结束时，其对应的栈帧就会被销毁，栈中存储的局部变量也会随之消失。堆中的对象生命周期不确定，对象会在垃圾回收机制（Garbage Collection, GC）检测到对象不再被引用时才被回收。

• 存取速度：栈的存取速度通常比堆快，因为栈遵循先进后出（LIFO, Last In First Out）的原则，操作简单快速。堆的存取速度相对较慢，因为对象在堆上的分配和回收需要更多的时间，而且垃圾回收机制的运行也会影响性能。

• 存储空间：栈的空间相对较小，且固定，由操作系统管理。当栈溢出时，通常是因为递归过深或局部变量过大。堆的空间较大，动态扩展，由JVM管理。堆溢出通常是由于创建了太多的大对象或未能及时回收不再使用的对象。

• 可见性：栈中的数据对线程是私有的，每个线程有自己的栈空间。堆中的数据对线程是共享的，所有线程都可以访问堆上的对象。

内存泄漏和内存溢出的理解？

内存泄露：内存泄漏是指程序在运行过程中不再使用的对象仍然被引用，而无法被垃圾收集器回收，从而导致可用内存逐渐减少。虽然在Java中，垃圾回收机制会自动回收不再使用的对象，但如果有对象仍被不再使用的引用持有，垃圾收集器无法回收这些内存，最终可能导致程序的内存使用不断增加。

内存溢出：内存溢出是指Java虚拟机（JVM）在申请内存时，无法找到足够的内存，最终引发OutOfMemoryError。这通常发生在堆内存不足以存放新创建的对象时。

类初始化和类加载

创建对象的过程？

在Java中创建对象的过程包括以下几个步骤：

1. 类加载检查：虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

2. 分配内存：在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。

3. 初始化零值：内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4. 进行必要设置，比如对象头：初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象头中。另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

5. 执行 init 方法：在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始——构造函数，即class文件中的方法还没有执行，所有的字段都还为零，对象需要的其他资源和状态信息还没有按照预定的意图构造好。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

类加载器有哪些？

• 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：这是最顶层的类加载器，负责加载Java的核心库（如位于jre/lib/rt.jar中的类），它是用C++编写的，是JVM的一部分。启动类加载器无法被Java程序直接引用。

• 扩展类加载器（Extension Class Loader）：它是Java语言实现的，继承自ClassLoader类，负责加载Java扩展目录（jre/lib/ext或由系统变量Java.ext.dirs指定的目录）下的jar包和类库。扩展类加载器由启动类加载器加载，并且父加载器就是启动类加载器。

• 系统类加载器（System Class Loader）/ 应用程序类加载器（Application Class Loader）：这也是Java语言实现的，负责加载用户类路径（ClassPath）上的指定类库，是我们平时编写Java程序时默认使用的类加载器。系统类加载器的父加载器是扩展类加载器。它可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法获取到。

• 自定义类加载器（Custom Class Loader）：开发者可以根据需求定制类的加载方式，比如从网络加载class文件、数据库、甚至是加密的文件中加载类等。自定义类加载器可以用来扩展Java应用程序的灵活性和安全性，是Java动态性的一个重要体现。

这些类加载器之间的关系形成了双亲委派模型，其核心思想是当一个类加载器收到类加载的请求时，首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中。

只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

双亲委派模型的作用

• 保证类的唯一性：通过委托机制，确保了所有加载请求都会传递到启动类加载器，避免了不同类加载器重复加载相同类的情况，保证了Java核心类库的统一性，也防止了用户自定义类覆盖核心类库的可能。

• 保证安全性：由于Java核心库被启动类加载器加载，而启动类加载器只加载信任的类路径中的类，这样可以防止不可信的类假冒核心类，增强了系统的安全性。例如，恶意代码无法自定义一个Java.lang.System类并加载到JVM中，因为这个请求会被委托给启动类加载器，而启动类加载器只会加载标准的Java库中的类。

• 支持隔离和层次划分：双亲委派模型支持不同层次的类加载器服务于不同的类加载需求，如应用程序类加载器加载用户代码，扩展类加载器加载扩展框架，启动类加载器加载核心库。这种层次化的划分有助于实现沙箱安全机制，保证了各个层级类加载器的职责清晰，也便于维护和扩展。

• 简化了加载流程：通过委派，大部分类能够被正确的类加载器加载，减少了每个加载器需要处理的类的数量，简化了类的加载过程，提高了加载效率。

讲一下类加载过程？

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括以下 7 个阶段：

• 加载：通过类的全限定名（包名 + 类名），获取到该类的.class文件的二进制字节流，将二进制字节流所代表的静态存储结构，转化为方法区运行时的数据结构，在内存中生成一个代表该类的Java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

• 连接：验证、准备、解析 3 个阶段统称为连接。

  • 验证：确保class文件中的字节流包含的信息，符合当前虚拟机的要求，保证这个被加载的class类的正确性，不会危害到虚拟机的安全。验证阶段大致会完成以下四个阶段的检验动作：文件格式校验、元数据验证、字节码验证、符号引用验证

  • 准备：为类中的静态字段分配内存，并设置默认的初始值，比如int类型初始值是0。被final修饰的static字段不会设置，因为final在编译的时候就分配了

  • 解析：解析阶段是虚拟机将常量池的「符号引用」直接替换为「直接引用」的过程。符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用的时候可以无歧义地定位到目标即可。直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄，直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的。如果有了直接引用， 那引用的目标必定已经存在在内存中了。

• 初始化：初始化是整个类加载过程的最后一个阶段，初始化阶段简单来说就是执行类的构造器方法（() ），要注意的是这里的构造器方法()并不是开发者写的，而是编译器自动生成的。

• 使用：使用类或者创建对象

• 卸载：如果有下面的情况，类就会被卸载：1. 该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。2. 加载该类的ClassLoader已经被回收。 3. 类对应的Java.lang.Class对象没有任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

垃圾回收

什么是Java里的垃圾回收？如何触发垃圾回收？

垃圾回收（Garbage Collection, GC）是自动管理内存的一种机制，它负责自动释放不再被程序引用的对象所占用的内存，这种机制减少了内存泄漏和内存管理错误的可能性。垃圾回收可以通过多种方式触发，具体如下：

• 内存不足时：当JVM检测到堆内存不足，无法为新的对象分配内存时，会自动触发垃圾回收。

• 手动请求：虽然垃圾回收是自动的，开发者可以通过调用 System.gc() 或 Runtime.getRuntime().gc() 建议 JVM 进行垃圾回收。不过这只是一个建议，并不能保证立即执行。

• JVM参数：启动 Java 应用时可以通过 JVM 参数来调整垃圾回收的行为，比如：-Xmx（最大堆大小）、-Xms（初始堆大小）等。

• 对象数量或内存使用达到阈值：垃圾收集器内部实现了一些策略，以监控对象的创建和内存使用，达到某个阈值时触发垃圾回收。

判断垃圾的方法有哪些？

在Java中，判断对象是否为垃圾（即不再被使用，可以被垃圾回收器回收）主要依据两种主流的垃圾回收算法来实现：引用计数法和可达性分析算法。

• 原理：为每个对象分配一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1。当计数器为0时，表示对象不再被任何变量引用，可以被回收。

• 缺点：不能解决循环引用的问题，即两个对象相互引用，但不再被其他任何对象引用，这时引用计数器不会为0，导致对象无法被回收。

Java虚拟机主要采用此算法来判断对象是否为垃圾。

• 原理：从一组称为GC Roots（垃圾收集根）的对象出发，向下追溯它们引用的对象，以及这些对象引用的其他对象，以此类推。如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（即从GC Roots到这个对象不可达），那么这个对象就被认为是不可达的，可以被回收。GC Roots对象包括：虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象、本地方法栈中JNI（Java Native Interface）引用的对象、活跃线程的引用等。

垃圾回收算法有哪些？

• 标记-清除算法：标记-清除算法分为“标记”和“清除”两个阶段，首先通过可达性分析，标记出所有需要回收的对象，然后统一回收所有被标记的对象。标记-清除算法有两个缺陷，一个是效率问题，标记和清除的过程效率都不高，另外一个就是，清除结束后会造成大量的碎片空间。有可能会造成在申请大块内存的时候因为没有足够的连续空间导致再次 GC。

• 复制算法：为了解决碎片空间的问题，出现了“复制算法”。复制算法的原理是，将内存分成两块，每次申请内存时都使用其中的一块，当内存不够时，将这一块内存中所有存活的复制到另一块上。然后将然后再把已使用的内存整个清理掉。复制算法解决了空间碎片的问题。但是也带来了新的问题。因为每次在申请内存时，都只能使用一半的内存空间。内存利用率严重不足。

• 标记-整理算法：复制算法在 GC 之后存活对象较少的情况下效率比较高，但如果存活对象比较多时，会执行较多的复制操作，效率就会下降。而老年代的对象在 GC 之后的存活率就比较高，所以就有人提出了“标记-整理算法”。标记-整理算法的“标记”过程与“标记-清除算法”的标记过程一致，但标记之后不会直接清理。而是将所有存活对象都移动到内存的一端。移动结束后直接清理掉剩余部分。

• 分代回收算法：分代收集是将内存划分成了新生代和老年代。分配的依据是对象的生存周期，或者说经历过的 GC 次数。对象创建时，一般在新生代申请内存，当经历一次 GC 之后如果对还存活，那么对象的年龄 +1。当年龄超过一定值(默认是 15，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设定)后，如果对象还存活，那么该对象会进入老年代。

垃圾回收器有哪些？

• Serial收集器（复制算法): 新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效；

• ParNew收集器 (复制算法): 新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现；

• Parallel Scavenge收集器 (复制算法): 新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；

• Serial Old收集器 (标记-整理算法): 老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；

• Parallel Old收集器 (标记-整理算法)： 老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；

• CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）： 老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。

• G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代