【Java EE初阶三十】JVM的简单学习

1. JVM 内存区域划分

        
        一个运行起来的 Java 进程，就是一个 JVM 虚拟机，需要从操作系统申请一大块内存，就会把这个内存，划分成不同的区域，每个区域都有不同的作用.
        JVM 申请了一大块内存之后,也会划分成不同的内存区域，下面来详细讲解一下各个区域：

1、方法区

        (jdk1.7 及其之前)/ 元数据区 (jdk1.8 开始)
        这里存储的内容,就是类对象。.class 文件加载到内存之后，就成了类对象。

2、堆
        这里存储的内容,就是代码中 new 的对象(该区域是占据空间最大的区域)

3、栈
        这里存储的内容,就是代码执行过程中,方法之间的调用关系，如下图所示：

        4. 程序计数器
        是一个比较小的空间，主要就是存放一个"地址",表示下一条要执行的指令在内存中的哪个地方（方法区里每个方法里面的指令, 都是以二进制的形式保存到对应的类对象中的），刚开始调用方法，程序计数器记录的就是方法的入口的地址，随着一条一条的执行指令,每执行一条,程序计数器的值都会自动更新，即去指向下一条指令；

        如果是一个顺序执行的代码，下一条指令就是把指令地址进行递增；

        如果是条件/循环代码，下一条指令就可能会跳转到一个比较远的地址；

        下面进行举例：

主要知识点如下图所示：

        本地方法：指的是使用 native 关键字修饰的方法.这个方法不是使用 java 实现,而是在jvm 内部通过 C++ 代码实现的，JVM 内部的 C++ 代码调用关系；

        虚拟机栈,以及程序计数器都是每个线程都有一份，JVM 进程中有 10 个线程就会有 10 个虚拟机栈,也会有 10 个程序计数器(每个线程各自有一个）

        堆区和元数据区，这俩东西在 JvM 进程中是只有一份的

        下面给你一个代码,问你某个变量是处于内存中的哪个区域中？

        一个变量处于哪个区域,和变量的形态密切相关，局部变量处于栈上。成员变量在堆上，静态变量在与数据区内；同时我们要知道变量处于哪个空间上,和变量是不是引用类型,是不是基本类型是没有关系的；

        new 出来的对象在堆上，于此同时又创建了一个局部变量 Test t引用类型的变量,就把对象地址存储到t里面了，t里面存储的不是对象本身；

        一个 JvM 进程里,可能有多个线程.每个线程,有自己的程序计数器和栈空间，这些线程共用同一份堆和方法区；

2. jvm中类加载的过程

        java 代码会被编译成.class 文件(包含了一些字节码)，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,构造成类对象并保存到内存的方法区中.（所谓的"执行代码”，就是调用方法.就需要先知道每个方法编译后生成的指令都是啥）

        一般来说将整个类加载的过程分为5个部分：

2.1 加载

        找到 .class 文件,打开文件,读取文件内容；

        往往代码中，会给定某个类的,"全限定类名“，例如java.lang.String，java.util.ArrayList，jvm 就会根据这个类名,在一些指定的目录范围内查找.

2.2 .验证

        .class 文件是一个二进制的格式,(每一个字节,都是有某些特定含义的)就需要验证你当前读到的这个格式是否符合要求.

        下图就是.class文件需要遵循的格式：

2.3 准备 

        给类对象分配内存空间 (最终的目标就是要构造出 类对象)

        我们这一步只是分配内存空间,还没有初始化呢.此时这个空间上的内存的数值,就是全0 ,(此时如果尝试打印类的 static 成员,结果就是全0的)；

2.4 解析

         针对类对象中包含的字符串常量进行处理, 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,也会进入到 .class 文件中；下面通过对字符串s的解析进行进一步说明：

        于此同时,.class 文件的二进制指令中,也会有一个s这样的引用被创建出来，由于引用里面本质上保存的是一个变量的地址,在 .class 文件中,这是文件不涉及到内存地址，因此住 .class 文件中,s 的初始化语句，即先会被设置成一个“文件偏移量”，通过偏移量，就能找到"test"这个字符串所在的位置；

        下面来简单说明一下文件偏移量：

        接下来，

这个过程,也叫做: 把"符号引用(文件偏移量)替换成“"直接引用)(内存地址)

2.5 初始化

        针对类对象进行初始化

        把类对象中需要的各个属性都设置好，同时还需要初始化好 static 成员变量，还需要执行静态代码块，以及还可能需要加载一下父类.

2.6 双亲委派模型

        双亲委派模型属于类加载中第一个步骤->"加载"过程中的一个环节，主要是根据负责根据全限定类名来找到 .class 文件.

        类加载器是 JVM 中的一个模块，JM 中中内置了下面如图所示的三个类加载器：

        如上图所示，这个父子关系并不是“继承"构成的，而是这几个 ClassLoader 里有一个 parent 这样的属性，指向了一个 父"类加载器"；

        下面来详细描述一下类加载的过程(即找 .class 文件的过程)：

1、给定一个类的全限定类名,形如 java.lang.String；

2、从 Application ClassLoader 作为入口,开始执行査找的逻辑

3、Application ClassLoader不会立即去扫描自己负责的目录(负责的是搜索项目当前目录和第三方库对应目录），而是把查找的任务，交给它的父亲,Extension ClassLoade

4、 Extension ClassLoader,也不会立即扫描自己负责的目录(负责的是 JDK 中一些扩展的库所对应的目录)，而是把查找的任务交给它的父亲BootStrap ClassLoade；

5、Bootstrap ClassLoader,也不想立即扫描自己负责的目录(负责的是 标准库 的目录)，也想把任务交给它的父亲,结果发现,自己没有父亲，因此 BootStrap ClassLoader 只能亲自负责扫描标准库的目录，如下所示：

        像java.lang.String.这种类,就能够在标准库中,找到对应的 .class 文件,就可以进行打开文件,读取文件......此时,查找 .class 文件的过程就结束了；但是,如果给定的类不是标准库的类,任务仍然会被交给孩子来执行；

6、没有扫描到就会回到 Extension ClassLoader.Extension ClassLoader 就会扫描负责的扩展库的目录.如果找到,就执行后续的类加载操作,此时查找过程结束还没有没找到,就会把任务交给他的孩子来执行.

7、没有扫描到, 就会回到 Application ClassLoade)，Application ClassLoader 就会负责扫描当前项目和第三方库的目录.如果找到,就执行后续的类加载操作.如果没找到,就会抛出一个 ClassNotFoundException；

        综上所述，所谓的“双亲委派模型“，其实就是一个查找优先级的问题；简单的查找流程如下图所示：

        之所以搞这一套流程，主要的目的是为了确保标准库的类被加载的优先级最高，其次是扩展库,其次是自己写的类和第三方库；

3. GC 垃圾回收 

        C 语言中，像 malloc 这种, 就属于是"动态申请内存”（运行时），其实很多时候, 需要程序真正跑起来,才能确定内存的大小；

        在C 语言中, 使用 malloc 申请的内存，需要在用完之后, 通过 free 来释放。（此处如果不释放,就会产生"内存泄露”这样的问题）

        C++里,动态申请内存,变成 new，malloc 只是申请内存.new,能够申请内存,也能初始化(调用构造函数)，在C++ 中,使用 new 申请的内存，用完之后, 通过 delete 来释放；

        在 Java 中, new 一个对象也就是"动态内存申请”；

        综上所述，相比之下, java 给出了一个方案，垃圾回收机制 (GC)，让 JVM 自行判定,某个内存是否就不再使用了，如果这个内存后面确实不用了,JVM 就自动的把这个内存给回收掉，此时就不必让程序猿自己手动写代码回收；

        下面首先来了解一下GC机制的缺陷：

        1.系统开销，需要有一个或一些特定的线程,不停的扫描内存中的所有的对象, 看是否能够回收，此时是需要额外的内存和CPU 资源的.

        2.效率问题，这样的扫描线程,不一定能够及时的释放内存(扫描总是有一定周期的)一旦同一时刻,出现大量的对象都需要被回收,GC 产生的负担就会很大.甚至引起整个程序都卡顿.(STW 问题：即stop the world)；

        GC 是垃圾回收，GC 回收的目标其实是内存中的对象，对于 Java 来说, 就是 new 出来的这些对象；栈里的局部变量，是跟随着栈帧的生命周期走的,(方法执行结束,栈帧销毁，该部分的内存自然释放)；静态变量的生命周期就是整个程序，这个始终存在就意味着静态变量是无需释放的；因此真正需要 gc 释放的, 就是堆上的对象了.

        gc 可以理解成两个大的步骤:
1. 找到垃圾
2. 释放垃圾

3.1  找到垃圾

        在 GC 的领域中, 有两种主流的方案:

1)、引用计数 [Python, PHP]

        new 出来的对象,单独安排一块空间,来保存一个计数器，如下图所示：

        在Java 中,使用对象,必须要依靠引用，如果一个对象,没有引用指向了,就可以视为是垃圾了(引用计数就是0 )

        对于上述代码，出了 { }之后，t 和 t2 就都销毁了，即引用计数就要归0了，当对象的引用计数为 0,此时代码中就不可能访问到这个对象了，此时这个对象就可以视为是垃圾了；

        关于 java 不使用引用计数的分析，引用计数存在两个重要的问题:

        1、比较浪费内存.
        计数器最少需要2个字节，如果对象本身就很小,这个计数器占据的空间比例就很大；
比如对象本身就 2 个字节,计数器占据的空间就是 50%；如果对象本身 4个字节?计数器占据的空间就是 33% ；如果对象很少, 或者对象比较大, 都影响不大。但是如果对象小并且很多,计数器所占据的空间就十分巨大；

        2、引用计数机制,存在"循环引用”问题，如下面的一段代码所示：

 a，b及其引用的内存分布如下所示：

        此时,当前a和 b 两个引用已经销毁了，new 出来的这俩对象,已经无法被其他代码访问到了，但是他们的引用计数却是不为0的，所以这俩对象是不能被回收的；此时,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.

2)、可达性分析 【java】
        可达性分析本质上是时间换空间的手段；

        有一个/一组线程周期性的扫描我们代码中所有的对象，从一些特定的对象出发,尽可能的进行访问的遍历，把所有能够访问到的对象,都标记成“可达”，反之,经过扫描之后, 未被标记的对象,就是垃圾；

        不仅仅是所有的局部变量，还有常量池中引用的对象，还有方法区中的静态引用类型引用的变量，都统称为 GCRoots，当然,这里的遍历大概率是 N 叉树.主要就是看所访问的某个对象，里面有多少个引用类型的成员，并针对每个引用类型的成员都需要进一步的进行遍历；

        可达性分析都是周期性进行的，当前某个对象是否是垃圾，是随着代码的执行而发生改变，总之就是可达性分析比较消耗系统资源,开销比较大；

3.2 回收垃圾

3.2.1 标记清除

        该方式是比较简单粗暴的释放方式，下面黑色区域是被标记的要被清除的，

        把对应的对象,直接释放掉,就是标记清除的方案，但是这个方案其实非常不好，因为会产生很多的内存碎片，释放内存的主要目的是为了让别的代码能够申请到"连续”的内存空间，但是这样会导致我们能用的内存是断断续续的；随着时间的推移,内存碎片的情况就会越演越烈，如此就会导致后续内存申请举步维艰.

3.2.2 复制算法

        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；

        

        把内存分成两份,一次只用其中的一半，这个方案可以有效解决内存碎片的问题.但是缺点也很明显：
1、内存要浪费一半,利用率不高；
2、如果有效的对象非常多,拷贝开销就很大；

3.2.3 标记整理

        既能够解决内存碎片的问题,又能处理复制算法中利用率；

        类似于顺序表删除元素的搬运操作

3.2.4 分代回收

        实际上,JVM 采取的释放思路是上述基础思路结合体，分代回收，对象能活过的 GC 扫描轮次越多, 就是越老；

        伊甸区：

        刚 new 的新的对象放到伊甸区，从对象诞生,到第一轮可达性分析扫描,这个过程中
虽然时间不长(往往就是毫秒或秒)但是,在这个时间里，大部分的对象都会成为垃圾，

        释放过程如下所示：

1)、伊甸区 =>幸存区

         使用复制算法，每一轮 GC 扫描之后, 都把有效对象复制到幸存区中,伊甸区就可以整个释放了，由于经验规律,真正需要复制的对象不多，所以非常适合复制算法；

2)、GC 扫描线程也会扫描幸存区.
        就会把活过GC 扫描的对象(扫描过程中可达)，拷贝到幸存区的另一个部分，幸存区之间的拷贝,每一轮会拷贝多个对象，每一轮也会淘汰掉一批对象(有些对象随着时间的推移,就成了垃圾)

3)、当这个对象已经在幸存区存活过很多轮 GC 扫描之后，JVM 就认为这个对象,短时间内应该是释放不掉了，就会把这个对象拷贝到老年代；

4)、进入老年代的对象, 虽然也会被 GC 扫描，但是老年代 GC 扫描的频率就会比新生代；

        分代回收,是 JVM 中主要的回收的思想方法.，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.

ps：到这里java ee初阶的内容就结束了，感谢陪伴了很久的自己，尤其是在上完班后晚上敲写博客的自己，还是那句话，虽然多阻滞，花发再重荣！！！