JVM

JVM执行流程

JVM执行流程

首先计算机只能认识010101010之类的二进制数据，我们编写的java文件计算机无法直接识别，相关的文件只有我们人能够读懂，但计算机却不行，于是我们就需要将java文件编译为二进制文件来供计算机识别并执行。
于是就有如下执行流程：

程序在执行之前先要把java代码转换成字节码（class文件），JVM 首先需要把字节码通过一定的方式，类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中 运行时数据区（Runtime Data Area） ，而字节码文件是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器，执行引擎（Execution Engine）将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能，这就是这4个主要组成部分的职责与功能

JVM内存模型

JVM其实是一个java进程，当java进程启动时会从操作系统这里申请一大块区域，以供后续java进程运行的使用，这块区域可以被分为如下5大部分：

1.堆区（Heap）

这里的堆不同于数据结构中的堆~

• 堆区存储的数据线程共享
• 堆区作用：程序中创建的所有对象都在保存在堆中，主要储存成员变量
• 堆区可以划分为两个区域：新生代和老年代，下文的垃圾回收机制会讲到

2.虚拟机栈（JVM Stacks）

• 栈区存储的数据线程私有
• 堆区作用：描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。常说的栈内存指的就是虚拟机栈。
• 虚拟机栈生命周期和线程相同

3.本地方法栈（Native Method Stacks）

• 本地方法栈和虚拟机栈类似，只不过 Java 虚拟机栈是给 JVM 使用的，而本地方法栈是给本地方法使用
  的。

4.程序计数器（Program Counter Register）

• 线程私有
• 用途是记录当前的程序执行到哪条指令了，利用简单的 long 类型的变量存了一个内存地址，这个内存地址就是下一个要执行的字节码所在的地址~

5.方法区/元数据区（Metaspace）

• 方法区数据内容 线程共享
• 作用：放的是类加载之后的类对象（.class文件）以及静态变量

类加载

类加载是指：把.class文件，加载到内存，得到 类对象 这样的过程。
Java作为面向对象编程的一门语言，类加载的过程与我们是最密不可分的，一个类的生命周期大概有如下：
而类加载的过程就是上图：加载、验证、准备、解析、初始化

1.加载

• 找到.class文件，并且读文件内容（双亲委派模型，下文解释~）

2. 验证

• .class 文件有明确的数据格式，源代码中类的信息都在这里面表现出来，为确保Class文件的字节 流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信 息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

3.准备

• 给类对象分配初始空间（未初始化的空间，内存空间中的数据全是0）

4.解析

• 针对 字符串常量 进行初始化：将常量池的符号引用替换为直接引用（字符串常量只知道彼此之间的相对位置，不知道自己在内存中的实际地址，从相对地址转为特定地址的过程）

5.初始化

• 针对类对象进行初始化，初始化静态成员、静态代码、要是有父类还得加载父类~

双亲委派模型

双亲委派模型主要存在于类加载的加载过程中，他需要用到一组特殊的模块，类加载器。

1.什么是双亲委派模型？**

• 双亲委派模型：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它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，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最 终都应该传送到最顶层的启 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完成加载。

2.JVM中内置的三个类加载器：

• BootStrap ClassLoader负责加载 Java 标准库中的类
• Extension ClassLoader负责加载一些非标准的但是 Sun/Oracle 扩展的库的类
• Application ClassLoader 负责加载项目中自己写的类 以及 第三方库 中的类~

3.具体流程：

• Bootstrap 没有父亲类加载器了,因此就只能自己来搜索自己负责的片区~ 如果搜索到,就直接进行后续加载步骤如果没搜索到,再交给孩子来处理~~~~
• Extension 收到了父亲的反馈,自己来找~ 如果搜索自己负责的片区，找到了，直接进行后续加载步骤~ 如果没搜索到，再交给孩子处理~~~~
• Application 收到了父亲的反馈,自己来找如果搜索自己负责的片区,找到了，直接进行后续加载步骤如果没找到,也是交给孩子处理,没有孩子了，就抛出一个 ClassNotFoundException

GC（垃圾回收）

1.什么是垃圾回收机制？

• GC：帮助程序员自动释放内存的
• 释放时机：较为模糊，只有彻底不使用了才能释放
• 释放的主要目标区域：堆区
• 主要流程：垃圾对象判断 + 垃圾对象释放

2.垃圾对象判断算法

a）引用计数算法

• 基本思想：对象增加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就+1；当引用失效时，计数器就-1；任
  何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的，即对象已"死"。
• 引用计数法实现简单，判定效率也比较高，Python语言就采用引用计数法进行内存管理。
• 缺陷1：浪费内存空间~
• 缺陷2：存在循环引用的问题

b）可达性分析算法

• 基本思想：把对象之间的引用关系,理解成了一个树形结构.从一些特殊的起点出发,进行遍历只要能遍历访问到的对象,就是"可达"再把"不可达的"当做垃圾即可，Java采用了这种算法~
• 缺陷1：消耗更多的时间，因此某个对象成了垃圾,也不一定能第一时间发现,因为扫描的过程,需要消耗时间的
• 缺陷2：在进行可达性分析的时候,要顺藤摸瓜,一旦这个过程中,当前代码中的对象的引用关系发生变化了,为了保证准确完成这个过程，需要让其他业务暂停工作（STW问题）

3.垃圾回收算法

a）标记清除算法

• 基本思想：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象
• 不足1：效率问题 : 标记和清除这两个过程的效率都不高
• 不足2：空间问题 : 标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行中
  需要分配较大对象时，无法找到足够连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集。

b）复制算法

• 基本思想：把整个内存区域分为两半，一次只用一半，把不是垃圾的对象，拷贝到另一边，然后统一释放整个区域
• 不足1：内存利用率比较低
• 不足2：如果当前的对象大部分都是要保留的,垃圾很少,此时复制成本就比较高~~

c）标记整理算法

• 基本思想：标记过程仍与"标记-清除"过程一致，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
• 不足：搬运开销还是大~

d）分治回收算法

• 基本思想：一般是把Java堆分为新生代（新生代又分为伊甸区、生存区）和老年代。在新生代中，每次垃圾回收都有大批对象死去，只有少量存活，因此我们采用复制算法；而老年代中对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须采用"标记-清理"或者"标记-整理"算法。
• 1.新创建的对象,放到伊甸区.当垃圾回收扫描到伊甸区之后,绝大部分对象都会在第一轮 GC 中就被干掉~大部分对象是活不过一岁的(经验规律)
• 2.如果伊甸区的对象, 熬过第一轮 GC, 就会通过复制算法, 拷贝到生存区，生存区分成两半(大小均等)，一次只使用其中一半~~垃圾回收扫描伊甸区的对象,也是发现垃圾就淘汰,不是垃圾的,通过复制算法, 复制到生存区的另外一半
• 3.当这个对象在生存区, 熬过若干轮 GC 之后,年龄增长到一定程度了就会通过复制算法拷贝到老年代
• 4.进入老年代的对象,年龄都挺大了,再消亡的概率比前面新生代中的对象小不少,针对老年代的 GC 的扫描频次就会降低很多
  如果老年代中发现某个对象是垃圾了,使用标记整理的方式清除~
• 5.特殊情况: 如果对象非常大,直接进入老年代 (大对象进行复制算法,成本比较高,而且大对象也不会很多…)