【JVM】 ---- 大白话图文之JVM类加载机制、内存区域、垃圾回收

一、类加载机制

JVM整体的运行原理：首先从".java"代码文件编译成".class"字节码文件，然后类加载器把".class"字节码文件中的类给加载到JVM中，接着JVM执行我们写好的那么类中的代码。

1、JVM什么时候会加载一个类？

一个类从加载到使用，一般会经过下面这个过程：

加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

当代码中使用类的时候，就会加载一个类。

比如包含main()方法的主类在JVM进程启动之后被加载到内存（加载字节码文件），然后开始执行main()方法中的代码。

2、验证、准备、解析、初始化过程

2.1 概念

• 验证阶段：根据Java虚拟机规范，校验加载进来的".class"文件中的内容是否符合指定的规范。

• 准备阶段：给类分配一定的内存空间，以及它里面的类变量（即static修饰的变量）分配内存空间，设置默认的初始值。（而实例变量在创建类的实例对象时才会初始化）

• 解析阶段：将符号引用替换为直接引用

• 初始化阶段（核心阶段）：正式执行类初始化的代码，完成类变量的真正赋值操作。static静态代码块，也是在这个阶段完成的。

  （这个阶段主要是准备好类级别的数据，比如静态代码块，静态成员赋值，

  初始化跟对象无关，用new关键字才会构造出一个对象出来）

例子：

public class ReplicaManager {
   
	public static int flushInterval = Configuration.getInt("replica.flush.interval");
}

- 准备阶段：首先给ReplicaManager类分配一定的内存空间，然后给类变量flushInterval分配内存空间,设置0初始值
- 初始化阶段：`Configuration.getInt("replica.flush.interval") `完成一个配置项的读取，然后赋值给类变量`flushInterval`

2.2 什么时候初始化一个类？

• 比如"new ReplicaManager()"实例化对象，就会触发类的加载到初始化过程，把这个类准备好，然后再实例化一个对象出来。
• 包含"main()"方法的主类，必须是立马初始化的
• 初始化一个类的时候，如果父类还没初始化，那么必须先初始化它的父类

类初始化时机：

1. 当创建某个类的新实例时（如通过new或者反射、克隆、反序列化等）
2. 当调用某个类的静态方法时
3. 当使用某个类或者接口的静态字段时
4. 调用Java API的某些反射方法时，比如类Class中的方法，或者java.lang.reflect中的类的方法时
5. 当初始化某个子类时
6. 当虚拟机启动某个被标明为启动类的类

3、类加载器和双亲委派机制

3.1 类加载器

• 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader

  负责加载机器上安装的Java目录下的核心类（"lib"目录）

• 扩展类加载器：Extension ClassLoader

  负责加载"lib\ext"目录中的类

• 应用程序类加载器：Application ClassLoader

  负责加载"ClassPath"环境变量所指定的路径中的类，可以理解为自己写好的Java代码

• 自定义类加载器

  根据自己的需求加载一些类

  （如何实现一个自定义类加载器？自己写一个类，继承ClassLoader类，重写类加载的方法）

3.2 双亲委派机制

启动类加载器位于最上层、扩展类加载器在第二层、应用程序类加载器在第三层、最后一层是自定义类加载器

如果一个应用程序类加载器需要加载一个类，首先委派给自己的父类加载器去加载，最后传导到顶层的类加载器去加载，如果父类加载器在自己负责加载的范围内，没找到这个类，那么就下推加载权力给自己的子类加载器。

好处：

• 每个层级的类加载器各司其职，不会重复加载一个类
• 保护一些核心类的安全

3.3 Tomcat类加载机制

Tomcat本身就是用Java写的，它自己就是一个JVM，我们写好的那些系统程序，通过编译后的.class文件放入一个war包，然后在tomcat中运行。

• Tomcat自定义了Common、Catalina、Shared等类加载器，是用来加载Tomcat自己的一些核心基础类库的
• Tomcat为每个部署在里面的Web应用都有一个对应的WebApp类加载器，负责加载我们部署的这个Web应用的类
• Jsp类加载器，则是给每个JSP都准备了一个Jsp类加载器

每个WebApp负责加载自己对应的那个Web应用的class文件，即我们写好的系统打包好的war包中的所有class文件，不会传到给上层类加载器去加载。

Shared底层细分了不同的web类加载器用于隔离不同的web项目，打破了双亲委派机制，由自定义类加载器先加载类。

3.3.1 破坏双亲委派

原因：隔离、灵活、性能

1. 不同的项目依赖Spring不同的包，那么就会导致依赖冲突问题，如果用不同的加载器，就能起到隔离的作用

2. 当需要增加或者减少单独的某个web项目的部署，用多个类加载器可以灵活的实现

3. 用多个类加载器性能要比用一个类加载器性能要高

二、内存区域

JVM在运行我们写好的代码时，必须使用多块内存空间，不同的内存空间用来放不同的数据，然后配合我们写的代码流程，才能让我们的系统运行起来。

1、内存区域划分

• 线程共享的区域
  • 堆
  • 方法区
  • 直接内存（非运行时数据区的一部分）
• 线程私有的区域
  • 程序计数器
  • 虚拟机栈
  • 本地方法栈

如图是JDK1.8之前：

如图是JDK1.8：

1.1 存放类的方法区

方法区在JDK1.8以前的版本，代表JVM中的一块区域。

主要是放从".class"文件里加载进来的类，还有一些类似常量池的东西也放在这个区域里。

JDK1.8以后，这块区域改成了"Metaspace"，即元数据空间的意思，主要还是存放我们自己写的各种类相关的信息。

1.2 执行代码指令用的程序计数器

我们编写的代码首会存在于".java"后缀的文件中，但是计算机是看不懂我们写的代码的，所以就得通过编译器，把".java"后缀的源文件编译成".class"后缀的字节码文件，

这份文件存放的就是我们写出来的代码编译好的字节码。

而字节码指令对应了一条一条的机器指令，计算机只有读到这种机器码指令，才知道具体应该要干什么。比如字节码指令可能会让计算机从内存读取某个数据，或者把某个数据写入到内存里。

在执行字节码指令的时候，JVM需要一个特殊的内存区域，就是"程序计数器"，用来记录当前执行的字节码指令的位置，即记录目前执行到了哪一条字节码指令。

1.3 虚拟机机栈

Java代码在执行的时候，一定是线程来执行某个方法中的代码。在方法里，我们经常会一定一些方法内的局部变量。

因此，JVM必须有一块区域是用来保存每个方法内的局部变量等数据的，这个区域就是Java虚拟机栈

每个线程都有自己的Java虚拟机栈，如果线程执行了一个方法，就会对这个方法调用创建对应的一个栈帧

栈帧有这个方法的：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

例子：

public class ReplicaManager {
   

   public void loadReplicasFromDisk() {
   
      Boolean hasFinishedLoad = false;
      if(isLocalDataCorrupt()) {
   }
   }

   private Boolean isLocalDataCorrupt() {
   
      Boolean isCorrupt = false;
      return isCorrupt;
   }
}

整个过程如图所示：

结合前面的知识，如图所示：

1.4 Java堆内存

存放我们在代码中创建的各种对象，实例变量也是在堆内存的。

案例：

public class Kafka {
   
   public static void main(String[] args) {
   
      ReplicaManager replicaManager = new ReplicaManager();
      replicaManager.loadReplicasFromDisk();
   }
}

public class ReplicaManager {
   

	private long replicaCount;

	public void loadReplicasFromDisk() {
   
		Boolean hasFinishedLoad = false;
		if(isLocalDataCorrupt()) {
   }
	}

	private Boolean isLocalDataCorrupt() {
   
		Boolean