JVM基本概念

JVM

概述：

作用：把我们的一套程序在不同的平台上运行 可以实现自动的内存管理 自动的垃圾回收

JVM整体结构分为4大块:

1.类加载系统：

负责从硬盘上加载字节码文件

2.运行时数据区：

存储运行时的数据(5个区域 方法区、堆、栈、本地方法栈、程序技术器)

3.执行引擎：

负责将字节码 解释/编译 为真正的机器码

4.本地方法接口：

负责调用操作系统本地方法

类加载系统

1.什么是类加载？

字节码储存在硬盘上，需要时由类加载系统将类的信息加载到内存中(方法区)

为类创建一个Class类的对象,使用ClassLoader进行加载,充当一个快递员角色

2.类加载过程?

(1)加载：将硬盘字节码读入到内存中,生成此类的Class对象,把硬盘上的结构转为内存结构。

(2)验证：验证字节码的格式，是否被修改(污染)

验证语法，例如类是否继承final修饰的类

准备：在准备阶段为类中静态的变量赋予初始值

static int num =123;
在准备阶段static int num =0;在后面初始化阶段才改成123  在准备阶段不为静态常量进行赋值

解析：将符号应用(文件中的逻辑引用)转为直接引用(内存中的实际地址)

(3)初始化：对类中的静态成员进行赋值了。

类什么时候初始化：new对象、使用类的静态成员、反射动态加载类(Class.forName())、子类被加载

只访问了某一个类中的静态常量

3.负责加载类的类

类加载器分类：

站在JVM角度上分为：

1.启动类加载器(引导类加载器)这部分不是用java语言写的 负责加载java核心类

2.其他类加载器(这部分指的是用java语言写的类加载器)

从程序员角度分为：

1.启动类加载器 负责加载java核心类

2.扩展类加载器 负责加载\jre\lib\ext目录下的类,包括应用程序类加器

3.应用程序类加载器 包括自定义的类加载器，负责加载程序中的类(自己写的)

4.双亲委派机制

为了确保加载类的正确性、安全性，在类加载类时，采用双亲委派机制。当需要加载程序中一个类时，会先让加载器的父类去加载，直到最顶级的启动类加载器，如果父级找到了返回使用，如果依旧没有找到，那么就委派给子级去加载，找到了就返回，如果所有的类加载器都没有找到，报类加载器异常。

优点：安全避免了自己写的类替换系统中的类 避免类的重复加载

5.类何时加载

主动使用：将类加载的整个过程完成

new对象，使用类的静态成员，反射动态加载类Class.forName()，子类被加载

被动使用：不会加载初始化

访问类中的静态常量，将类作为类型，例如创建数组，用类作为类型使用。

6.如何打破双亲委派机制

java中提供一个Class.Loader类，定义哪些方法加载类

loadclass(String classpath) 建议 底层使用双亲委派机制加载类
findclass(String classpath) 如果需要自定义，可重写findclass()
defineclass() 将读到class文件的数据，构造出一个class对象 再有就是像Tomcat这种服务器软件，里面也会有自己定义的类加载器

JVM运行时数据区

程序计数器：记录线程运行的位置(行号)，线程需要切换执行，所以记录执行位置。

虚拟机栈：运行java方法的区域，每个方法生成一个栈帧。

本地方法栈：java经常需要调用一些本地方法(操作系统的方法 hashCode()，read()，start()，arraycopy())

堆：存放程序中产生的对象，也是虚拟机中内存占比最大的一块

方法区：存放类信息

堆、方法区：是线程所共享的

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈：是线程私有的，线程独立的。

堆、方法区、栈、本地方法栈：会出现内存溢出错误。

程序计数器

是一块内存很小的的区域，主要用来记录每个线程中执行的执行位置，便于线程在切换执行记录位置。是线程私有的，生命周期与线程一样，运行速度快，不会出现内存溢出。

虚拟机栈

基本概念：栈是运行单位，存储一个一个的方法，当调用一个方法时创建一个栈帧，将方法中的信息存储到栈帧中。

操作只有两个：调用方法，入栈，方法执行完后，出栈(先进后出)

运行速度快，仅次于程序计数器，当入栈的方法过多时，会出现栈溢出(内存溢出)

线程是独立的，不同线程之间方法不能相互调用。

栈帧的内部结构：

1.局部变量表：方法内部声明的局部变量，方法参数。

2.操作数栈：运算区域 a+b

动态链表：调用的方法地址，字面量地址。

方法返回地址

本地方法栈

本地方法 native修饰的方法，没有方法体。 hashCode() read() start() arrayCopy()

本地方法不是用java语言写的，例如操作系统方法。

如果调用本地方法，那么本地方法在本地方法栈中运行，也会出现内存溢出

堆

创建对象 对象引用

堆空间是jvm内存中一块空间，主要用来存储对象，是jvm中空间最大的块，是线程共享。

jvm启动，堆空间就创建了，大小确定了，但可以通过参数改变大小的，这就是jvm调优。物理上不连续，逻辑上连续的，堆就是垃圾回收的重点区域。

堆的区分

新生代： 伊甸园区 幸存者1 幸存者2

老年代

为什么要分区域？

不同的对象，它的生命周期不同，这样可以将不同的对象存储在不同的区域，不同的区域采用不同的垃圾回收算法。进行处理，扬长避短。

创建的对象在这些区域中如何分布？

当一个对象刚刚创建后，被存放在伊甸园区。

当垃圾回收进行时，会把伊甸园区中存活下来的对象，移动到幸存者区。

幸存者有两个 区域1和区域2

首先把伊甸园区存放的对象放在幸存者1区，当下次垃圾回收到来时，会将伊甸园区和幸存者1区的存活对象移到幸存者2区，清空幸存者1之后再次回收时会将伊甸园区和幸存者2区存活的对象一到幸存者1区，清空幸存者2，交替执行。

什么时候对象去老年代？

当垃圾回收每次对对象进行标记时，在对象头中有一个空间被用来记录被标记的次数。

在对象头中，记录分代年龄只有4bit位空间，只能记录15次。

堆各个空间比例

新生代与老年代默认比例是1:2，但可以通过参数设置

—XX：survivorRatio=8

一个对象通过15次的垃圾回收依然存活就去老年代。可以通过 XX：MaxTenuringThreshold=15设置，最大15次

分待收集思想

jvm垃圾回收可以分为不同的区域进行回收

针对新生代会频繁回收，称为 yong GC

较少回收老年代，称为old GC

当调用System.gc()，老年代内存不足时，方法区内存不足时，会触发 FULL GC(整堆收集)

尽量避免整堆收集，整堆收集，其他用户线程暂停的时间长。

堆的参数

设置整个堆的大小

各个区间比例

对象年龄

字符串常量池位置

jdk7之后将字符串常量池的位置从方法区转移到堆中。因为方法区只有在触发FULL GC时才会进行回收，回收效率低。所以将字符串常量池移到堆中，提高垃圾回收效率。

方法区

存储类信息

类信息：方法、属性、静态常量、静态变量，即时编译器编译后的代码，运行时常量池(字面量值)

方法区是线程共享的，也可能会出现内存溢出，也会涉及到垃圾回收。方法区的生命周期也是虚拟机启动就创建，虚拟机关闭就销毁。

方法区大小设置

—XX：MaxMataspaceSize windows方法中方法区默认最大值为21MB

如果达到21MB就会触发FULL GC 值也可设为-1，没有上限，占用整个计算机内存。

方法区是会涉及到垃圾回收的，主要回收的是静态常量，类信息，类信息何时被卸载，满足3个条件：

1.该类所产生的对象都被回收

2.该类对应的class对象，不在被其他地方引用

3.该类对应的类加载器被回收了

本地方法接口

通过本地方法接口模块来与操作系统接口进行访问

什么是本地方法？

使用native修饰的方法，不是java语言实现的，是操作系统实现的。

为什么要使用native Method

1.例如需要获得硬件的一些信息，如内存地址，启动线程，IO，调用本地方法接口就很方便

2.jvm底层进行字节码解释或编译部分也有用C语言实现

执行引擎

作用：负责装载字节码文件到执行引擎中，字节码不是机器码，只是jvm规范中定义的指令码。

执行引擎：需要将字节码 解释/编译为不同的平台识别的机器码。

Hellow.java-------jdk编译工具 javac-------.class 称为前端编译

.calss --------执行引擎 编译为机器码 称为后端编译

解释器：jvm运行程序时，逐行对字节码指令进行翻译，效率低

JIT(即使)编译期：对某段代码整体编译后执行 效率高 编译需要耗一段时间

为什么是半解释器半编译型？

起初java中只是提供了解释执行的方法，但是解释执行效率低，后来引入编译器，可以对查询执行中的热点代码进行编译，并把编译后的内容缓存起来，后期执行效率高。

热点代码采用计数器方式来记录

程序启动后可以通过解释器立即对代码进行解释执行，不需要等待编译，提高响应速度，之后对热点代码采用编译器编译执行从而提高后续效率。

垃圾回收

概述：java语言提供自动垃圾回收功能的，C++没有垃圾回收，垃圾回收也不是java首创。java在垃圾回收这块一直不断升级。

什么是垃圾：没有被任何引用指向的对象。

例如：Object   obj= new Object;
obj.hashCode(); //引用
obj=null; //没有引用 垃圾

为什么回收：垃圾对象，如果不回收，他就会一直占用内存空间，垃圾对象越积越多，可能导致内存不够用。（内存溢出）

对内存空间中的内存碎片进行整理，如果不整理，需要存储像数组这样的对象，可能存储不了。

早期怎么回收：早期C++代码，需程序手动销毁对象。

不足：麻烦手动创建，手动回收。有时忘删除，那么就会造成内存泄漏。

内存溢出：内存不够用，报内存溢出错误 OOM

内存泄漏：有一些对象已经不再被使用了，但是垃圾回收对象又不能回收它，这种悄悄占用内存资源的现象，称为“内存泄漏”。OM(OutofMemory)

现在的语言引进了自动的内存管理。

优点：降低了程序员的工作量，降低了内存溢出和内存泄漏的风险。

担忧：自动的垃圾回收，降低了程序员对内存管理能力。一旦出现问题，不能下手解决。

哪些区域回收：方法区，堆，(频繁回收新生代，较少回收老年代，基本不回收方法区)。

垃圾回收算法

标记阶段

标记那些对象，已经是垃圾。

引用计数算法(没有使用)

对象内部有一个计数器，有一个引用指向 计数器+1

obj=null 计数器-1

实现简单，缺点：A里面包含B，B里面包含A(造成内存泄漏)。

不能解决循环引用问题。增加了空间、时间开销。需要维护计数器空间，赋值后对计数器进行更新。

根可达算法(可达性分析算法)

实现思路：从一组GCRoots对象(一组活跃的对象，当前栈帧中使用的对象)开始向下查找，如果与GCRoots对象相关联的，那么就不是垃圾对象，否则判定为垃圾对象。

GCRoots可以是哪些元素：

1.栈中所有使用的对象

2.静态的成员变量所指向的对象

3.Synchronized同步对象

4.JVM系统内部的对象

可达性分析避免对象循环引用的问题。

final finally{} finalize()

finalize()是Object类中定义的方法，子类可以重写，但是不要主动自己调用它。finalize()在对象被回收前由垃圾回收线程调用，只能调用一次。

一般情况下，不需要重写次方法。如果在对象销毁前，执行一些释放资源的操作，可以重写此方法。但是注意，不要将对象复活或出现死循环。

从垃圾回收角度，将对象分为三种状态：

1.可触及的，从根节点开始，可以到达这个对象

2.可复活的，对象标记为垃圾，finalize()方法没有执行(对象可以在finalize中复活)

3.不可触及的：对象中finalize()方法已经执行，而且对象没有被复活，那么进入不可触及状态。

对象回收的一个细节：如果一个对象第一次被标记为垃圾且finalize()没有被执行。将这些对象，放在一个队列中，调用它们的finalize()，如果在finalize()方法；对象与GCRoots中某个对象关联上，从队列中移出。当第二次被标记为垃圾对象时，那么直接就是不可触及的，被回收。

垃圾回收阶段：

复制算法 （针对新生代 对象存活较少，需要移动对象）

使用到两块内存空间(对标两个幸存者区)，将正在使用区域中存活的对象复制到另一个区间，排放整齐，清除原来的空间。

优点：内存碎片少 效率快

缺点：使用两块内存，G1的垃圾回收器每一个区域又分成多个小的区域，需要来记录地址

标记清除（针对老年代，存活对象较多，不需要移动对象，不会整理内存）

清除：并非直接清理垃圾对象，而是将垃圾对象的地址记录下来，存在一个列表里面。如果所有新的对象需要分配空间，那么就从空闲列表判断空间是否够用，如果够用，那么用新对象替换垃圾对象。

优点：实现简单，不需要移动对象

缺点：会产生内存碎片

标记—压缩算法

针对于标记清除的不足，将存活的对象进行整理，然后清除垃圾对象，这样内存就不会产生内存碎片。

标记清除：不移动对象，产生碎片

标记压缩：移动对象，不产生内存碎片

分代收集

新生代存活对象生命周期短，需要频繁回收，复制算法效率高，适合新生代。

老年代对象生命周期长，不需要频繁回收，使用标记清除和标记压缩。

STW（stop the world）

在垃圾回收线程标记是，需要在某一个时间点上，让所有的用户线程暂停一下，保证在判定对象是否为垃圾时的准确性。

性能好的垃圾回收器，发生STW次数会少一些。

垃圾回收器

是对垃圾回收的落地实现

JVM中又分为不同种类的垃圾回收器，可以根据使用场景选择对应的垃圾回收器。

分类：

按照线程数量分为：

单线程垃圾回收器(垃圾回收线程只有一个，适用于小型场景)

多线程垃圾回收器(垃圾回收线程有多个同时执行，效率高)

按照工作模式分为：

独占式(垃圾回收线程执行时，用户线程全部暂停 STW)

并发式(垃圾回收线程执行时，可以不用暂停用户线程。从CMS这款回收器引入并发式)

按照内存工作区域分为：

年轻代(年轻代区域的垃圾回收器)

老年代(老年代区域的垃圾回收器)

CMS

CMS是之前的不管线程还是多线程的垃圾回收器，都是独占式的。

并发标记清除首创用户线程可以和垃圾回收线程并发执行，追求低停顿。

初始化标记：单线程独占标记对象。

并发标记：垃圾回收线程和用户线程并发执行。

重新标记：使用多线程独占进行标记对象。

并发清除：垃圾回收线程和用户线程并发执行。

优点：可以做到并发收集

缺点：用户线程和垃圾回收线程并发执行，导致吞吐量降低，无法处理浮动垃圾(并发标记时用户线程不暂停)标记完成后随时产生新的垃圾对象，无法处理，只能等到下次垃圾回收处理。

三色标记算法：将对象标记为不同的状态 黑、灰、白

黑：该对象已经被标记过的，不是垃圾对象且对象下的关联属性也标记过了。

灰：已经被垃圾回收器标记过了，但是还有没有标记过的。

白：没有被垃圾回收器扫描过的，标记是垃圾。

1.刚开始，确定GCRoots的对象为黑。

2.将GCRoots直接关联的对象设为灰。

3.遍历灰色对象所有引用，灰色本身变黑，下面关联对象是灰。

4.重复标记。

5.将白色对象清除。

可能会出现 漏标、错标问题。

漏标

A关联B B关联C 当B是灰色，此时A和B断开联系，但是B已经是灰色的。B和c是浮动垃圾，等待下一次回收。

错标

A关联B B关联C B为灰，B和C断开，A和C联系。A为黑色，不在扫描，C会被回收。

解决：就是将发生变化的关系进行记录，重新在标记。

G1回收器

G1也是使用到了并发标记和清除，将整个堆的每个区域又划分为更小的空间，回收时可以根据每个区域的优先级(由里面的垃圾数量)，先回收优先级高的区间。降低了用户线程的停顿，提高了吞吐量，对整堆进行统一管理，没有新生代和老年代。