JVM
- 前言
- 什么是JVM
- JVM运行时数据区
- 方法区(元数据区)
- 堆Heap
- 栈
- 程序计数器
- 本地方法栈
- 例题
- 类加载
- 类加载的基本流程
- 双亲委派模型
- 垃圾回收GC
- 垃圾回收步骤
- 找到垃圾
- 回收垃圾
- 总结
前言
前面我们把计算机网络协议栈梳理完毕，了解数据如何跨主机通信。
而写好的 Java 代码，是怎么在机器上运行的？这就是 JVM 的工作。
JVM 是 Java 程序运行的虚拟机，实现了跨平台（一次编译，到处运行），也是后端核心模块。
什么是JVM
- JVM全称Java Virtual Machine，Java虚拟机。
- 一个运行起来的Java进程就是一个JVM虚拟机。
- 核心特性：跨平台。
Java 源码编译成.class字节码文件，JVM 负责解析执行字节码。不同操作系统有对应版本 JVM，一份 class 到处跑。- 区分一下JDK、JRE、JVM
（1）JDK = JRE + 开发工具（javac、Java等）
（2）JRE = JVM + Java基本类库
JVM运行时数据区
Java进程运行过程中就要从操作系统申请一大块内存，这块内存划分成不同的区域，每个区域都有不同的作用。
下面详细分析这几个区域。
方法区(元数据区)
该区存储的内容就是类对象。
.class文件加载到内存之后，就成了类对象。
堆Heap
该区存储的内容是代码中new的对象实例、数组。
堆区是占据空间最大的区域，也最容易发生OOM，即内存溢出。
栈
该区存储的是，代码执行过程中方法之间的调用关系。
方法调用就压栈，方法执行结束出栈。
程序计数器
该区是一个比较小的空间，存放一个“地址”，表示下一条要执行的指令在内存中的哪个地方。而要执行的指令存放在方法区，每个方法里面的指令都是以二进制的形式保存在对应的类对象中。
classTest{publicvoida(){...}publicvoidb(){...}/*这里的方法a和方法b都会被编译成二进制指令，放到.class文件中，执行类加载时，就能把.class文件中 的内容加载到类对象中，此时，方法里面的指令就以二进制的形式保存在对应的类对象中。*/}
- 刚开始调用方法时，程序计数器中存储的是方法的入口地址。
- 随着一条条指令的执行，程序计数器的值会自动更新去指向下一条指令。
- 若是顺序执行，则下一条指令就是把指令地址进行递增。
- 若是循环或条件代码，则下一条指令可能会跳转到一个较远的地址。
本地方法栈
该区存放的是使用native修饰的方法。
该区的方法不是由Java实现的，而是在JVM内部由C++实现。
注意：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈，是线程私有，每个线程都有独立一份；堆、元空间（方法区）是线程共享，整个 JVM 进程只有一份。
下图为JVM内存模型。
例题
classTest{publicintn=100;publicstaticinta=10;voidmain(){Testt=newTest();}}问：n，a，t三个变量分别存在哪个区域？
分析：一个变量存在于哪个区域，与变量的形态密切相关，与类型无关。
（1）局部变量—栈
（2）成员变量—堆
（3）静态变量—方法区
答：
（1）n—成员变量—对象中包含n这个属性—对象存在于堆上—n在堆上；
（2）a—静态变量—类属性—在类对象中—a在方法区（元数据区）；
（3）t—方法内部的局部变量—栈帧中的局部变量表—t在栈上。
类加载
类加载的基本流程
Java代码会被编译成.class文件，Java程序要想运行起来，就需要让JVM读取到这些.class文件，并且把里面的内容构造成类对象，保存到内存的方法区。
- 加载
找到.class文件，打开文件，读取文件内容。
往往代码中给定某个类的全限定类名，JVM就会根据这个类名，在一些指定的目录范围内寻找。
- 验证
.class文件是二进制格式，因此需要验证当前读到的这个格式是否符合要求。
Java官方文档中规定了语言规范、虚拟机规范，其中，虚拟机规范中写明了.class文件要遵守的格式：
ClassFile{//相当于结构体u4 magic;//用来表示文件的格式u2 minor_version;u2 major_version;//这两个共同构成.class的版本号u2 constant_pool_count;cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];//当前.class文件中用到的常量池u2 access_flags;//表示类的权限修饰符u2 this_class;//当前类的相关信息u2 super_class;//该类的父类的相关信息u2 interfaces_count;u2 interfaces[interfaces_count];//该类实现了哪些接口u2 fields_count;field_info fields[fields_count];//类中有哪些属性u2 methods_count;method_info methods[methods_count];//类中有哪些方法u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count];//类中有哪些注解}- 准备
给类对象分配内存空间。
仅分配空间，未进行初始化，并赋予默认零值。
- 解析
针对类对象中包含的字符串常量进行处理。
- 由于，引用本质上保存的是一个变量的地址，在.class文件中，不涉及到内存地址，因此，字符串常量的初始化语句会先被设置成“文件的偏移量”，通过偏移量可以找到字符串常量所在的位置。
- 当这个类真正被加载到内存时，再将偏移量替换回内存地址。
- 初始化
针对类对象进行初始化，还需要初始化static成员，执行静态代码块，加载父类。
双亲委派模型
双亲委派模型，是“加载”过程中的一个环节，负责的是根据全限定类名找到.class文件。
类加载器
JVM中内置了三个类加载器：
（1）BootStrap ClassLoader—相当于爷爷—负责的是JDK标准库目录。
（2）Extension ClassLoader—相当于父亲—负责的是JDK中一些扩展的库对应的目录。
（3）Application ClassLoader—相当于孩子—负责的是项目当前目录+第三方库对应目录。
它们直接不是继承关系，而是ClassLoader中有一个parent属性，指向一个父“类加载器”。加载的过程
加载，也就是找.class文件的过程，其实就是一个简单的查找优先级问题。
（1）给定一个类的全限定类名，比如java.lang.Long。
（2）从Application ClassLoader作为入口，开始执行查找的逻辑。
（3）Application ClassLoader不会立即扫描自己负责的目录，而是甩锅，把查找任务交给他的父“类加载器”Extension ClassLoader。
（4）同样，Extension ClassLoader也不会立即扫描自己负责的目录，而是甩锅，把查找任务交给他的父“类加载器”BootStrap ClassLoader。
（5）BootStrap ClassLoader也不想立即扫描自己负责的目录，但是他没有父“类加载器”，只能自己来做，扫描标准库目录，若扫描到目标文件，任务结束，执行后续的类加载操作。
（6）若没有扫描到，就会回到Extension ClassLoader，他来扫描负责的扩展库目录，若扫描到目标文件，任务结束，执行后续的类加载操作。
（7）若没有扫描到，就会回到Application ClassLoader，他来扫描负责的当前项目和第三方库的目录，若扫描到目标文件，任务结束，执行后续的类加载操作。若没有扫描到，就抛出ClassNotFoundException异常。
这套流程的目的，确保了标准库的类被加载的优先级最高，其次是扩展库，最后是自己写的类和第三方库。
垃圾回收GC
- 回收的垃圾是内存中的对象，也就是堆中的内存。
- 垃圾回收机制GC：让JVM自行判定，内存中的这个对象是否还会再次使用，若不再使用，则回收。
栈中的局部变量，跟随栈帧的生命周期。
静态变量，生命周期是整个程序，始终存在，因此静态变量无需释放。
垃圾回收机制缺点：
- 系统开销，需要额外消耗CPU、内存资源：需要有一些特定线程，不停扫描内存中的所有对象，看是否能回收。
- 效率问题：这样的扫描线程，不一定能及时释放内存，一旦同一时刻，出现大量的对象都要被回收，GC产生的负担很大，可能会引起整个程序卡顿（STW问题：可达性分析标记阶段，会触发 STW（Stop The World），暂停业务用户线程，防止对象引用关系不断变化，保证标记结果准确。）。
垃圾回收步骤
找到垃圾
- 引用计数
给new出来的对象，单独安排一块空间，来保存一个计数器，用来描述有几个引用指向这个对象。
但在Java中不使用引用计数：
（1）浪费内存。计数器最小也要占用两个字节，若对象本身很小，计数器占据的内存空间比例大。
（2）引用计数机制存在循环引用问题。
例如：
2.可达性分析
- 可达性分析，本质上是时间换空间。
- 一组线程周期性扫描代码中所有对象，从一些特定的对象出发，尽可能地进行访问遍历，把所有能够访问到的对象标记为“可达”，最终，经过扫描之后，未被标记为“可达”的对象就是垃圾。也就是N叉树。
- 可达性分析的出发点很多：所有局部变量、常量池中引用变量、方法区中静态变量引用的对象，统称为GCRoots。
回收垃圾
- 标记清除
（1）标记清除就是把对应的对象的内存空间直接释放掉。
（2）但这样做会产生很多内存碎片，随时间推移，内存碎片越来越严重，会导致后续内存申请举步维艰。
- 复制算法
复制算法就是，通过复制的方式，把有效的对象归类到一起，再统一释放剩下的空间。
- 标记整理
标记：从GCRoots出发，标记所有存活对象；
整理：把所有存活对象向内存一侧移动、紧凑排列，垃圾全部挤到另一边，一次性清理掉边界以外的垃圾。
既解决了内存碎片，又能处理复制算法的利用率，但是开销大。
实际上， JVM 采取的释放思路是三者结合体，分代回收。
总结
- JVM实现Java跨平台，Java源码编译为class字节码，交由JVM解释执行。
- JVM运行时数据区分为线程私有区域（PC寄存器、虚拟机栈、本地方法栈）和线程共享区域（堆、元空间）。
- 类加载五大阶段：加载、验证、准备、解析、初始化；双亲委派保证JDK核心类安全。
- GC以可达性分析判定对象生死，分代回收，新生代复制算法，老年代标记整理。
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