JVM类加载的过程和JVM垃圾回收机制

一、JVM类加载的过程

1.1类加载的基本流程

Java代码会被编译成.class文件(里面包含了一些字节码)，JVM会把.class文件读取到内存中并对其进行解析、构造类对象(这个过程叫类加载)，类加载完成之后就会在内存中得到类对象，后续要构造这个类的实例都是基于类对象来进行展开的。

1.1.1加载

找到.class文件，打开文件，读取文件内容。从Java代码中往往会得到某个类的“全限定类名”(比如java.lang.String)，JVM会根据这个“全限定类名”在一些指定的目录范围内去查找对应的.class文件，找到对应的.class文件就能够把这个.class文件打开并且读取里面的内容。

1.1.2验证

验证.class文件里的内容是否符合要求。
.class文件是二进制格式的文件，里面的某个字节都是有某些特定含义的。java标准文档：https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html里说明了一个.class文件的格式是怎样的，.class文件里应该要包含哪些内容。

1.1.3准备

给类对象分配内存空间。这个内存空间的大小是根据上一步的验证的结果来确定的。这里只是分配内存空间，还没有初始化内存空间，此时这个内存空间上的数值全是0，此时如果打印类的static成员就会打印出0。

1.1.4解析

针对类对象中包含的字符串常量进行一些初始化操作。

java代码中用到的字符串常量在编译之后会进入到.class文件中。

比如java代码中有：final String a = “hello”;
编译之后，.class文件的二进制指令中也会有一个a这样的引用被创建出来，由于引用本质上保存的是一个变量的地址，在.class文件中，因为文件不涉及到内存地址，所以.class文件中的a就会先被设置成一个“文件偏移量”，通过这个“文件偏移量”可以找到hello这个字符串所在的位置，当我们把这个类真正加载到内存的时候，再把这个“文件偏移量”替换回真正的hello的内存地址。

如上图所示，假设在.class文件中，文件开头到hello开头的距离是100个字节，就称hello这个字符串在.class文件中的“文件偏移量”为100。文件开头到test开头的这100个字节里也会有一条指令，这条指令描述了String a = @100，这里的@100表示“文件偏移量”。当.class文件加载到内存中的时候，test这时的内存地址为0x12，String s = @100也会把@100这个“文件偏移量”替换成hello这个字符串真实的内存地址，这个替换的过程就是“解析”阶段要完成的主要工作。这个替换过程也叫把“符号引用”(“文件偏移量”)替换成“直接引用”(内存地址)。

1.1.5初始化

针对类对象进行初始化，即把类对象中的各个属性都设置好。
初始化好static成员。
执行静态代码块。
加载父类。

1.2双亲委派模型

双亲委派模型属于类加载的第一个步骤“加载”过程中的其中一个环节，即根据“全限定类名”找到.class文件。

JVM中内置了三个类加载器(程序员也可以手动创建出新的类加载器)：
①BootStrap ClassLoader
②Extension ClassLoader
③Application ClassLoader
这三个类加载器彼此之间存在一个父子关系，即Application ClassLoader是子、Extension ClassLoader是父、BootStrap ClassLoader是爷，这个父子关系不是继承，而是这几个类加载器里都有一个parent这样的属性，这个parent属性指向一个父“类加载器”。

类加载的第一个步骤“加载”过程中找.class文件的过程：
①给定一个类的全限定类名，比如java.lang.String。

②以Application ClassLoader作为入口根据全限定类名开始执行查找对应的.class文件的逻辑。

③Application ClassLoader不会立即扫描自己负责的目录(Application ClassLoader复责的目录是当前项目对应的目录和第三方库对应的目录)，而是把查找的任务交给他的父亲Extension ClassLoader。

④Extension ClassLoader也不会立即扫描自己负责的目录(Extension ClassLoader负责的目录是JDK中的一些扩展库对应的目录(JDK厂商会在标准之外做一些扩展))，而是把查找的任务交给它的父亲BootStrap ClassLoader。

⑤BootStrap ClassLoader也不会立即扫描自己负责的目录(BootStrap ClassLoader负责的是标准库对应的目录)，而是把查找的任务交给它的父亲，结果发现没有父亲，因此BootStrap ClassLoader只能扫描自己负责的目录，如果类是标准库中的类，那么在BootStrap ClassLoader这个类加载器中就能找到对应的.class文件，此时查找.class文件的过程就结束了。
如果类不是标准库中的类，则查找.class文件的任务就会交给孩子Extension ClassLoader去执行。

⑥Extension ClassLoader就会扫描自己负责的目录，如果找到对应的.class文件，则查找结束，就执行后续的类加载操作；如果没找到，则把任务交给孩子Application ClassLoader执行。

⑦Application ClassLoader就会扫描自己负责的目录，如果找到对应的.class文件，则查找结束，就执行后续的类加载操作；如果没找到，就会抛出ClassNotFoundException。

双亲委派模型的目的是为了维护类被加载的优先级。

二、JVM垃圾回收机制

Java中new一个对象，就是一次“动态内存申请”。
动态表示运行时(程序运行起来才能确定内存大小)，静态表示编译时(编译时就能确定内存大小)。
编译时：int a[5]，a数组占据多少内存，在编译过程中就能确定下来，一个int是4字节，5个int就是20字节。

在C语言中使用malloc申请的内存在使用完之后需要通过free来释放，在C++中使用new申请的内存需要通过delete来释放。

Java给出了垃圾回收机制(GC)，让JVM自动把不再使用的内存回收掉。而不用手动回收内存，大大降低了程序员的心智负担。

局部变量的生命周期是跟随栈帧的生命周期走的，方法执行结束栈帧销毁，局部变量所对应的内存也就释放了。
静态成员变量的生命周期是整个程序的生命周期，是类对象中的一部分，类加载之后是不会卸载的，所以静态成员变量无需释放。
所以GC回收的是堆上的对象。

GC分为两个步骤：

2.1找到垃圾

有两种主流方案：

2.1.1引用计数(比如Python，PHP中用到)

new出来的对象单独安排一块空间来保存一个计数器，这个计数器用来进行引用计数，这个计数器描述了这个对象有几个引用在指向它。
比如：
{
Test t = new Test();
Test t2 = t;
}
出了{}之后，t和t2就被销毁了，引用计数就归0了。当对象的引用计数为0时，此时这个对象就可以视为垃圾了。

但Java没有使用引用计数，因为引用计数有两个缺陷：
①比较浪费内存。因为每个new出来的对象都要单独安排一个计数器来保存它的引用计数，计数器至少要占据两个字节的内存空间，如果对象很少或者对象很大这时影响不大；如果对象很小并且很多这时计数器占据的空间就不容忽视了，内存就被浪费了很多。
②循环问题。
比如：
class A {
public A t;
}
class Test {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
A b = new A();
a.t = b;
b.t = a;
a = null;
b = null;
}
}

此时a和b两个引用已经被销毁了，new出来的两个对象已经无法被其它代码访问到，但是它们的引用计数不为0，这时这两个对象是不能回收的，第一个对象引用了第二个对象，第二个对象引用了第一个对象。要想拿到第一个对象就要先拿到第二个对象，要想拿到第二个对象就要先拿到第一个对象，这构成了逻辑上的循环错误。

2.1.2可达性分析(比如Java中用到)

可达性分析本质上是时间换空间。有一个/一组线程周期性地扫描代码中的所有对象，从一些特定的对象出发，尽可能地进行遍历访问(比如类似于N叉树遍历)，把所有能够被访问到的对象都标记成“可达”，不能被访问到的未被标记的对象就是垃圾了。
可达性分析开始遍历访问的起点对象有很多，比如：局部变量中引用的对象、常量池中引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象……，这些起点对象统称为GCRoots。
可达性分析是周期性进行的，因为某个对象是否是垃圾是会随着代码的执行而发生改变的(比如这个对象现在不是垃圾，代码执行了一段时间之后就变成垃圾了)。所以可达性分析比较消耗系统资源，导致系统时间开销较大，相比之下引用计数通过计数器来衡量当前对象是否是垃圾，比较精准，时间开销比较小。

2.2释放垃圾

有三种基本思路：

2.2.1标记清除

把垃圾对象直接释放掉，但这个方案非常不好，因为这会产生很多的内存碎片。我们释放内存是为了让其它代码能够申请内存，而申请内存时我们申请到的都是连续的内存空间。如果使用标记清除使用了一段时间，那么内存中出现内存碎片的情况将会非常严重，导致内存申请变得十分困难。

2.2.2复制算法

把内存分成两份，一次只用其中的一半。通过复制的方式把有效的对象归类到另一半，再统一释放原来那一半的所有空间。
复制算法可以有效解决内存碎片问题，但这个方案也有缺点：
(a)内存要浪费一般，内存利用率低。
(b)如果有效的对象非常多，那么拷贝的开销就会很大。

2.2.3标记整理

这个方法既能够解决内存碎片的问题，又能够解决复制算法中内存利用率低的问题，但拷贝的开销和复制算法差不多。
标记整理类似于顺序表删除元素时的搬运操作。在内存空间中把有效的对象一个一个地往内存空间的前面搬运，然后把内存空间后面的空间回收掉。

2.2.4分代回收

JVM释放内存的方法，是上述三种基本思路的结合体，即分代回收。
把堆分成两部分，这两部分不是等分的。左边称为新生代，右边称为老年代。新生代中有一个幸存区和一个伊甸区，幸存区里等分为两部分。

①刚new出来的新的对象放在伊甸区，从对象诞生到可达性分析扫描开始，这个过程虽然时间不长(往往是毫秒~秒级别)，但在这个时间里大部分对象都会成为垃圾，即大部分对象都活不过一轮GC。

②伊甸区中经过一轮GC后仍然可达的对象，就会通过复制算法被拷贝到幸存区。然后释放整个伊甸区的内存。由于伊甸区中幸存下来的可达对象并不多，复制开销不大，所以这里非常适合用复制算法。

③GC扫描线程也会扫描幸存区，然后把GC扫描到的可达对象通过复制算法拷贝到幸存区的另一半，然后释放掉幸存区原来那一半的内存。对于幸存区之间的拷贝，每一轮GC会拷贝多个对象、也会淘汰多个对象。

④当某个对象在幸存区中存活过很多轮GC扫描之后，JVM就认为这个对象在短时间内应该是不会成为垃圾的，就会把这个对象拷贝到老年代。

⑤进入老年代的对象也会被GC扫描，但老年代GC扫描的频率会比新生代GC扫描的频率低很多(这减少了GC扫描的开销)。老年代使用标记整理的方式对内存进行回收。

新生代使用复制算法进行垃圾回收，老年代使用标记整理进行垃圾回收。

分代回收是JVM中主要的垃圾回收思想方法。但是在垃圾回收器具体实现的时候，可能还会有一些调整和优化。