JavaEE：JVM

基本介绍

JVM：Java虚拟机，用于解释执行Java字节码

jdk：Java开发工具包

jre：Java运行时环境

C++语言将写入的程序直接编译成二进制的机器语言，而java不想重新编译，希望能直接执行。Java先通过javac把.java文件转成.class文件，.class文件是字节码文件，包含Java字节码，然后Java把这个字节码文件在某个具体的平台上执行。此时再通过jvm把上述的字节码转成对应的CPU能识别的机器指令

当前主流的JVM：HotSpot VM

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JVM中的内存区域划分

JVM其实也是一个进程，就是在任务管理器中能看到的Java进程

进程运行的过程中，要从操作系统申请一些资源（典型资源：内存），申请到的内存空间可以支撑后续Java程序的执行。

比如：在Java中定义变量，就会申请内存，这里的申请就是由jvm完成的

而jvm申请的这一块内存还会根据实际的用途划分出不同的空间（区域划分）

1.堆：代码中new出来的对象，对象中持有的非静态成员变量都是在堆里（只有一份）

2.栈：本地方法栈包含了方法调用关系和局部变量，虚拟机栈记录了Java代码的调用关系，Java代码的局部变量（一般提到的栈指的是虚拟机栈）（可以有n份，n与线程相关）

这里的堆和栈和数据结构里的不一样

这里的堆和栈都是内存区域，而数据结构的堆是一颗二叉树，栈是后进先出的数据结构

3.程序计数器：空间比较小，存储下一条要执行的Java指令的地址（有n份）

x86的CPU也有一个类似的寄存器：eip

4.元数据区：保存类的信息和方法的信息 （只有1份）

类的信息：类的名称，继承哪个类，实现的接口；有什么属性，属性名字，属性类型，权限；有什么方法，方法名字，方法参数，权限等等

“元数据(meta data)”：往往指一些描述性质或者辅助性质的属性

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笔试题

class Test{private int n;private static int m;
}main(){Test t = new Test();
}

上述代码里的t, n, m各自处于jvm哪个区域

t是一个局部变量（引用类型），这个变量在栈上

n是Test的成员变量，处于堆上

m是static修饰的变量，称为类属性，存在类对象中，也属于元数据区

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JVM的类加载机制

类加载：Java进程运行的时候需要把.class文件从硬盘读取到内存并进行一系列的校验解析的过程

过程（5个步骤）

1.加载：把硬盘上的.class文件找到，打开文件，读取文件内容（读到的是二进制数据）

如何查找对应的文件？双亲委派模型（一种查找策略）

2.验证：确保读到的文件是合法的.class文件（验证依据：Java的虚拟机规范）

3.准备：给类对象申请内存空间，申请到的内存空间里面的默认值是0

4.解析：针对类中字符串常量进行处理，将常量池中的符号替换成直接引用的过程

class Test{private String s = "hello";
}

 

在代码中我们知道s相当于包含了"hello"字符串常量的地址，但是在文件中是不存在"地址"这样的概念的。地址是内存的地址，硬盘里没有地址。

虽然没有地址，但是我们可以存储一个类似于地址的偏移量

把hello字符串的开头到文件开头就是一个偏移量

此处文件中填充给s的hello的偏移量就认为是符号引用，接下来把.class文件加载到内存中，先把"hello"这个字符串加载到内存中，此时“hello”就有地址了，s里面的值就可以替换成当前“hello”真实的地址了，可以直接引用这个地址了

5.初始化：针对类对象完成后续的初始化（要执行代码块的逻辑，甚至会触发父类的加载）

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双亲委派模型（重点）

JVM中的类加载操作有一个专门的模块：类加载器

作用：给定全限定类名，也就是带有包名的类名，比如java.lang.String就是一个全限定类名，能找到.class文件

默认有三个

BootstrapClassLoader：负责查找标准库的目录

ExtensionClassLoader：负责查找扩展库的目录

ApplicationClassLoader：负责查找当前项目的代码目录以及第三方库的目录

上述三个类加载器存在父子关系，这个父子关系类似于二叉树，有一个指针parent，指向自己的父类加载器

双亲委派模型的工作过程：

1.从ApplicationClassLoader作为入口，先开始工作

2.ApplicationClassLoader不会立即搜索自己负责的目录，会把搜索的任务交给自己的父亲

3.代码进入到ExtensionClassLoader的范畴，ExtensionClassLoader也不会立即搜索自己负责的目录，会把搜索任务交给父亲

4.BoostrapClassLoader没有父亲，没办法推脱搜索任务了，才会真正搜索自己负责的标准库目录。通过全限定类名，尝试在标准库目录中找到符合要求的.class文件

找到了就直接进入打开文件和读文件的流程；如果没到找，返回给孩子类加载器，继续尝试加载

5.ExtensionClassLoader收到交回的任务后，在自己负责的扩展库目录搜索，找到了进入后续流程，没找到再丢给自己孩子

6.ApplicationClassLoader收到交回的任务后，自己进行搜索负责的目录。再找不到就抛出ClassNotFoundException 异常

上述执行顺序的好处：

1）确保几个类加载器之间的优先级

2）用户自定义的类不会被jvm加载，可以防止自定义类不小心和标准库中的类名字重复

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JVM的垃圾回收机制（GC机制）

基本情况

这个机制不需要程序员手动释放内存。程序回自动判断某个内存是否会继续使用，如果内存后续不用了，就会自动释放掉。

垃圾回收中一个重要问题：STW（stop the world）问题——触发垃圾回收的时候，可能会使当前程序的其他业务逻辑被暂停

垃圾回收内存的话，那内存里面几个区域里面情况如何？

1）程序计数器 -- 不需要GC

2）栈 -- 不需要GC，因为局部变量在代码块执行结束之后自动销毁

3）元数据区/方法区 -- 不需要GC，因为一般都是涉及类加载而不是类卸载

4）堆 -- GC的主要工作区域

所以，垃圾回收回收内存，不如说是回收对象（对象也是回收的单位）

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工作机制

1.识别出垃圾

判定哪些对象不再使用，哪些对象还在使用

在Java中的对象一定要通过引用的方式来使用，除非匿名对象。如果一个对象没有任何引用指向它，就可以认为无法被代码引用，就可以作为垃圾了

void func(){Test t = new Test();t.do();
}

这里通过new Test在堆上创建了对象，与此同时在栈上也存储下这个局部变量

当执行到 “}” 的时候，t这个局部变量在栈中自动销毁。上面的new Test()对象就没有引用指向它了。此时这个对象就成为了垃圾

如果代码复杂一点呢？

Test t1 = new Test();
Test t2 = t1;
t3 = t2;
t4 = t3;

此时会有很多引用指向new Test同一个对象，需要确保所有的引用都销毁了才能把Test对象视为垃圾。如果代码再复杂，每个引用的生命周期各不相同，那怎么办呢？

解决办法：

1）引用计数：给每个对象安排一个额外的空间，空间里要保存当前这个对象有几个引用

每次有一个引用指向这个对象，引用计数就+1，制空或者删除一个引用，引用计数就-1

此时有专门的扫描线程去获取当前每个对象的引用计数情况，如果发现对象的引用计数为0，说明这个对象可以被释放了

这个方法虽然没有在JVM中使用，但是广泛应用于其他语言的垃圾回收机制中，比如python和PHP

问题一：每个对象分配到的计数器消耗了额外的内存空间，对象数目一多空间资源容易不足

问题二：引用计数可能会产生“循环引用的问题”

此时两个对象，引用计数都不是0，不能被GC回收掉，但是这两个对象又无法使用 -- 类似于死锁

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2）可达性分析（JVM用的是这个）

本质上用时间换空间。在写代码的时候会定义很多变量，就可以从这些变量作为起点，尝试进行遍历（沿着这些变量中持有的引用类型的成员，再进一步地往下进行访问），所有能被访问的对象就不是垃圾了，剩下的遍历一圈也访问不到的对象就是垃圾

虽然这个代码中只有一个root的引用，但是7个结点的对象都是可达的。JVM中存在扫描线程，会尽可能多的去遍历访问对象

如果root.right = null的话，a跟c之间就会断开，那么按照上述方法遍历的操作就无法访问到c和f了，此时c和f节点对象就不可达，不可达就变成垃圾了

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2.把标记为垃圾的对象的内存空间进行释放

释放方式

1）标记 - 清除

把标记成垃圾的对象直接释放掉（一般不使用）

产生的问题：内存碎片 -- 小的但是离散的空闲内存空间

会导致后续的内存申请失败。因为我们的内存申请时一次性申请一个连续的空间，比如我们申请1M的内存空间，此时的1M字节都是连续的

如果有很多内存碎片就可能导致空闲空间总和超过1MB，但是没有比1MB大的连续空间，申请就会失败

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2）复制算法

核心是不直接释放内存，而是把内存划分成为两半

把不是垃圾的对象复制到内存的另一半里，接下来就把左侧的空间（原来垃圾存在的空间）整体释放掉

比如我们要删掉对象2和4，我们会把不需要删除的1和3复制一份到右半边内存

然后把左半边全删掉

优点：规避内存碎片问题

缺点：1）总的可用内存变少；2）如果每次要复制的对象很多，复制的开销很大（所以这个算法适用情况：当前这轮GC中要删掉的对象很多，存活的对象很少）

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3）标记 - 整理

类似顺序表删除中间的元素（搬运思想）

比如下面要删除1，3，6

接着把2，4，5，7，8往前搬运

优点：解决内存碎片问题，不需要过多浪费内存空间

缺点：复制开销很大

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4）JVM采用的综合方案：分代回收（重点）

引入概念：对象的年龄（初始年龄为0）

JVM中有专门的线程负责周期性扫描或释放。一个对象如果被线程扫描了一次，发现是可达了，该对象的年龄+1

JVM会根据对象年龄的差异，把整个堆内存分成两个大的部分，分别为新生代（年龄小的对象）和老年代（年龄大的对象）

具体流程：复制算法+标记 - 整理

a）当代码中new处理一个新的对象，这个对象就被放在伊甸区

一个经验规律：大部分伊甸区的对象是朝生夕死的，活不过第一轮GC

b）第一轮GC扫描之后，少数幸存的对象就会通过复制算法拷贝到生存区，后续GC扫描线程继续扫描，生存区中大部分对象也会在扫描中被标记为垃圾，少数存活的会被拷贝到另一半的生存区中每经历一轮扫描，生存的对象年龄+1

c）如果这个对象在生存区中经过若干轮GC之后还存活着，JVM会认为这个对象的生命周期很长，就会将其从生存区拷贝到老年代

d）老年代的对象也要参与扫描，但是被扫描的频率大大降低

e）对象在老年代寄掉了，JVM就将其释放了

常使用的垃圾收集器：GMS, G1和ZGC