JVM原理+GC自动垃圾回收机制原理（详细且通俗易懂）

最新推荐文章于 2025-04-29 15:00:22 发布

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#jvm #java

本文详细介绍了Java虚拟机(JVM)的概念、内存模型及其工作原理，包括类加载过程、执行引擎和垃圾回收机制(GC)，并解析了JVM如何管理内存以提高程序运行效率。

什么是JVM？
JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。
在这里插入图片描述
JVM内存模型分析
1.类加载器：将class文件加载到内存
2.运行时数据区：包括方法区、堆、Java栈、PC寄存器、本地方法栈

a.程序计数器：用于存储每个线程下一步将执行的JVM指令；

b.虚拟机栈：方法的执行
　　栈帧（Stack Frame）是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构（栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。每个栈帧都包括了局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息。）

c.堆：java堆存放的是解释执行Class文件时创建的对象，随着对象的创建而存在的区域,而这一块区域存在的是该类中的所有属性,每一个变量都有一个默认值,string的默认值为null, int的默认值为0 , double的默认值为0.0 , boolean的默认值为 false, char 的默认值为字符a

d.方法区：存放class的结构信息，例如常量池、字段、方法、构造函数和普通方法的字节码内容

e.运行时常量池：存放class中定义的常量

f.本地方法栈：JVM采用本地方法栈来支持native方法的执行，此区域用于存储每个native方法调用的状态。
　　
3.执行引擎：解释执行加载到运行时数据区的数据（方法区），每次读取一个字节码指令并执行。

执行引擎主要有以下三个部分
①解释器：读取字节码指令并串行执行之。java命令就是一个解释器
②JIT（Just In Time）编译器:
这里的编译不是从java源码到字节码，而是将字节码编译成操作系统特定的指令。JIT会监控字节码的执行过程，将部分常用的代码优化成本地指令，以加速执行。Oracle用了Hotspot虚拟机，会搜索Hotspot（热点）并将其编译成本地指令。
③GC垃圾回收器：清理无用内存以提供更多的可用内存

jvm类加载的过程
分为五个步骤：加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化

1.加载：
查找并加载类的二进制文件（class文件），
把类的信息（例如常量池、字段、方法、构造函数和普通方法的字节码内容）放入方法区，
Class文件对应的实例放入堆中。

2.验证：
确保加载的类信息是正确的

3.准备：
为类的静态变量进行初始化，并分配空间赋予初始值

4.解析：
将符号应用转化为直接应用
解释：
①只要遇到new关键字,则说明会在堆内存中开辟一块空间,用于存放该类的属性
②每当堆内存创建了一个空间之后,则会系统分配一个内存地址,而这个地址是十六进制数
③并将这个地址值赋值给栈内存中的对象名
④对象名和堆内存的空间地址,通过相同的地址值进行链接
在这里插入图片描述
如图例：
Person p1 创建对象后在堆内存中开辟一块空间 new Person（）分配一个内存地址比如0x8899
比如 Person p1 的地址就是0X8899与堆内存中的空间相连接

5.初始化
JVM对类进行初始化。
解释：
java堆存放的是解释执行Class文件时创建的对象，随着对象的创建而存在的区域,而这一块区域存在的是该类中的所有属性,每一个变量都有一个默认值,string的默认值为null, int的默认值为0 , double的默认值为0.0 , boolean的默认值为 false, char 的默认值为字符a
比如上面这个图片中，String name 的默认值就为null

## 二丶自动垃圾回收机制（GC）

当对象填充满堆内存后会导致内存溢出，所以需要内存回收机制GC来清理对象

GC=Garbage Collection 是JVM自动内存管理的机制。JVM运行时数据区中，栈的内存分配在入栈的时候已经确定了，出栈即回收，所以不需要内存回收。需要回收的主要是堆区。主要是以下问题

1.如何判定对象是否应该被删除
举例一个判断标准：GC算法 →GC Root

GC方法一
1）标记 2）清理
从GC Root对象开始遍历整个JVM的内存，标记出哪些是存活的对象，遍历结束后，未标记的则是不要的对象，即垃圾对象应该被删除。然后删除垃圾对象。

缺点：产生内存碎片。内存碎片什么意思（比如对象1的大小为1KB 当对象1被清理后会腾出1KB的空间，如果这个时候创建对象2大小为2KB，对象1被清理的1KB空间是放不下对象2的，导致空间不能为合理利用，所以产生GC第二个方法）

GC方法二
1）标记 2）整理

整理的意思是，前面一个对象被清理后，后面一个对象会自动补齐。这样会减少内存碎片。带来另一个缺点，对象移动的代价太大。所以产生了第三个方法

GC方法三
1）标记 2）复制
解释：
把整个内存一分为二。第一个内存区域中标价出来要清理的对象。把没有被标记的好对象全部移入第二个内存区域中。
缺点：需要内存空间大

实际中的GC
在这里插入图片描述
把堆区划分成年轻代（young），和老年代（old）
年轻代中又分为 Eden区和两个Survivor区
重点：
NEW对象的时候产生在 Eden区当Eden区快满的时候就会触发young GC（只属于年轻代的GC）
采用上面方法中的复制方法，把好的对象放入 Survivor区
（两块Survivor区交替使用 E区+S1区复制到 S2区 ***** E区+S2区复制到 S1区如此反复）

老年代（old区）：
young GC 过程中每存活一次年龄age就会加1. 如果age>=6.就往老年区中复制
(大对象例如 →1千万大小的int数组也会存入old区)
如果老年区也存满了会触发 Full GC 会引起 Stop The World （STW停止全世界）
Stop The World：整个JAVA程序暂停来进行垃圾清理