JVM类加载和垃圾回收（详细）

JVM

介绍

JDK/JRE/JVM的关系

JDK：JRE+编译工具
JRE：JVM+基础类库
JVM

内存结构

堆

• 存放对象实例

  对象

  1. 对象头：标记字段和类型指针

  2. 实例数据

  3. 对其填充

• 字符串常量池：避免字符串的重复创建

• 静态变量

程序计数器

作用：记住下一条jvm指令的执行地址

多线程的情况下，程序计数器记录当前线程的执行位置，当线程切换回来时能够知道运行到那里

tip：唯一一个不会内存溢出的内存区域，随线程的创建而创建，结束而死亡

虚拟机栈

作用：为虚拟机执行java方法服务

栈帧

• 局部变量表：存放编译期可知的各种数据类型和对象引用

• 操作数栈：存放方法执行过程中产生的中间计算结果

• 动态链接：将类常量池中的符号应用转换为直接引用

• 方法返回地址

  • 两种返回方式：正常返回和抛出异常

本地方法栈

作用：为虚拟机执行Native方法服务

本地内存

• 元空间（方法区的实现类）

  • 运行时常量池：常量池表存放字面量和符号引用，在类加载后存放到方法的运行时常量池中

• 直接内存

类文件

字节码文件

作用：

1. 是不同语言和Java虚拟机之间的重要桥梁

2. 是Java跨平台的重要原因（字节码不针对特定的机器，java程序无需重新编译就可以在不同操作系统的计算机上运行）

结构

1. 魔数：确定这个文件是否为一个能被虚拟机接收的Class文件（4字节）

2. Class 文件版本号

   • 次版本号（2字节）
   • 主版本号（2字节）

3. 常量池：存放字面量和符号引用

4. 访问标志：识别一些类或接口层次的访问信息

5. 当前类

6. 父类

7. 接口集合

8. 字段表集合：成员变量（实例变量和类变量）

9. 方发表集合

10. 属性表集合

类加载

类的生命周期

加载

• 通过全类名获取定义此类的二进制字节流
• 将字节流所代表的静态存储结构装换位方法区的运行时数据结构
• 在内存中生成一个代表此类的Class对象，作为方法区中数据的访问入口

类加载器

定义：类加载器是一个加载类的对象；

每一个Java类都有一个引用指向加载它的ClassLoader；
数组类不是通过类加载器创建的（没有对应的二进制字节流），由JVM直接生成。

作用：加载Java类的class文件到JVM中（在内存中生成一个代表此类的Class对象）

加载规则：

• 大部分类在使用时才会被加载

• 一个类只会被加载一次

双亲委派模型

定义：ClassLoader实例会在尝试亲自查找类或资源之前，将查找类或资源的任务委托给父类加载器

tip：除了启动类加载器外，其他类加载器都有自己的父类加载器

各种类加载器之间的层次关系：

• 启动类加载器：加载JDK内部的核心类库%JAVA_HOME%/lib，由C++实现

• 扩展类加载器：加载%JRE_HOME%/lib/ext下的jar包和类

• 应用程序类加载器：加载应用classpath下的所有jar包和类

• 自定义类加载器：需要继承ClassLoader抽象类

  • findClass()根据二进制名称查找类

  • loadClass()加载指定二进制名称的类，实现了双亲委派机制

执行流程：

• 判断是否被加载过

• 将加载类的请求委托给父类加载器去完成（调用loadClass()方法）

• 所有的父类加载器无法加载这个类时，子加载器会尝试自己去加载（调用findClass()方法）

• 子类加载器也无法加载这个类，抛出ClassNotFoundException异常

  tip：判断两个Java类是否相同：
  1.类的全类名相同
  2.类的类加载器相同

好处：

1. 避免了类的重复加载

2. 保证Java核心API不被篡改

打破双亲委派模型的方法：自定义加载器，继承ClassLoader，重写loadClass()

链接

验证：保证Class文件的字节流中包含的信息符合全部约束要求，不会危害虚拟机自身安全

• 文件格式验证

• 元数据验证（字节码语义检查）

• 字节码验证（程序语义检查）

• 符号引用验证（类的正确性检查）

准备：为类变量分配内存并设置类变量初始值（在方法区分配）

tip：jdk7之后字符串常量池、静态变量等移动到了堆中

解析：将常量池中的符号引用转化为直接引用（虚拟栈中的动态链接）

初始化

执行初始化方法clinit()的条件：

• new创建实例

• getstatic访问类的静态变量

• putstatic给静态变量复制

• invokestatic调用类的静态方法

• 需要初始化类的父类

• 主类

类卸载

满足条件：

• 给类的素有实例对象都已经被GC

• 该类没有在其他地方被引用

• 该类的类加载器的实例被GC

垃圾回收

堆空间的基本结构

堆是垃圾回收的主要区域，也称GC堆

结构：

• 新生代
• 老生代
• 永久代（元空间）

内存分配和回收原则

内存分配

1. 对象优先在Eden区分配

2. 大对象直接进入老年代

   • 大对象指需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）
   • 避免将大对象放入新生代，减少新生代的垃圾回收频率和成本

3. 长期存活的对象进入老年代

   • 当Survivor空间的对象达到晋升年龄阈值（默认15）时，会被放入到老年代中

主要进行gc的区域

1. 部分收集Partial GC

   • 新生代收集Minor GC / Young GC：只对新生代进行垃圾收集

   • 老年代收集Major GC / Old GC：只对老年代进行垃圾收集

   • 混合收集Mixed GC：对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集

2. 整堆收集Full GC

空间分配担保：将新生代对象转移到老年代

死亡对象判断方法

1. 引用计数法

   定义：当引用它时，+1；引用失效时，-1；计数器为0时，对象就不可能再被使用了

   缺点：无法解决对象之间循环引用的问题

2. 可达性分析算法

   定义：判断对象到GC Roots是否可达（可达：存在引用链）

   可以作为GC Roots：

   • 方法区中静态变量、常量引用的对象

   • 虚拟栈中引用的对象

   • 本地方法栈中引用的对象

   • 所有被同步锁持有的对象

   • JNI（Java Native Interface）引用的对象

引用类型

• 强引用：一定不会被回收

• 软引用：内存空间不足的时候，回收

• 弱引用：扫描到就会回收

• 虚引用：用来跟踪对象被垃圾回收的过程，必须配合引用队列使用

垃圾收集算法

1. 标记-清除算法：标记不需要回收的对象（可达对象），清除没有标记的对象

   缺点

   • 效率问题：标记和清除过程效率不高

   • 空间问题：回收后会产生大量不连续的内存碎片

2. 复制算法：将内存划分为大小相同的两块，把存活的对象复制到另一块内存上，再把使用的空间全部清除

   缺点

   • 可用内存变小

   • 不适合老年代：如果存活对象比较大，复制性能会变差

3. 标记-整理算法：先标记不需要回收的对象，然后让存活对象移动到一段，最后清除到端边界以外的内存

   缺点

   • 效率不高，适合老年代这种垃圾回收频率不高的场景

4. 分代收集算法：根据对象存活周期不同划分为新生代和老年代，不同年代选择合适的垃圾收集算法

   新生代：复制算法，大量对象死亡，只需要复制少量对象
   老年代：标记-清除或标记-整理，对象存活率高，需要清除的较少

垃圾收集器

1. Serial收集器：使用一条线程进行垃圾收集工作时，暂停其他所有工作线程

2. Serial Old收集器：Serial收集器的老年代版本

3. ParNew收集器：Serial收集器的多线程版本

4. Parallel Scavenge收集器：提高CPU利用率

5. Parallel Old收集器：Parallel Scavenge收集器的老年代版本

6. CMS收集器：获得最短回收停顿时间的收集器，提高用户体验；真正意义上的并发收集器，垃圾收集线程和用户线程同时工作

   四个步骤

   • 初始标记：短暂停顿，标记可达对象

   • 并发标记：开启GC和用户线程，标记可达对象，但不包含所有可达对象，因为用户线程会导致标记变动

   • 重新标记：短暂停顿，修正并发标记期间的对象标记记录

   • 并发清除：开启GC和用户线程，对未标记区域进行清除

   优点

   • 并发收集

   • 低停顿

   缺点

   • 对CPU资源敏感

   • 无法处理浮动垃圾

   • 标记-清除算法，会产生大量空闲碎片

7. G1收集器：面向服务器的垃圾收集器，针对于配备了多颗处理器的机器

   四个步骤

   • 初始标记：短暂停顿，标记可达对象

   • 并发标记：开启GC和用户线程，标记可达对象，但不包含所有可达对象，因为用户线程会导致标记变动

   • 最终标记：短暂停顿，修正并发标记期间的对象标记记录

   • 筛选回收：选择回收价值高的区域，复制存活对象到新区域，清楚旧区域

8. ZGC收集器