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JVM基本结构和垃圾回收机制

一、JVM基本结构

Java虚拟机(JVM, Java Virtual Machine)是Java程序执行的环境,其基本结构可以分为以下几个主要部分:

  1. 类加载器子系统(Class Loader Subsystem)

    • 负责加载Java类文件到内存中。它包括三个主要的类加载器:引导类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。
    • 类加载器采用双亲委派模型,以确保Java类的安全性和一致性。
  2. 内存区(Runtime Data Area):

    • JVM在运行Java程序时,会在内存中分配不同的区域来存储数据。主要包括:
      • 方法区(Method Area):存放类的结构信息,如字段、方法、常量池等。
      • 堆区(Heap Area):用于存放对象实例和数组,是Java内存管理的主要区域。
      • Java栈(Java Stack):每个线程都有自己的Java栈,用于存放局部变量、操作数栈、动态链接等信息。
      • 程序计数器(Program Counter Register):每个线程都有一个程序计数器,用于指示当前线程执行的字节码指令地址。
      • 本地方法栈(Native Method Stack):用于支持Java调用本地方法(Native Method)。
  3. 执行引擎(Execution Engine)

    • 负责执行字节码,包括:
      • 解释器(Interpreter):逐行解释执行字节码。
      • 即时编译器(JIT Compiler):将热点代码编译为本地机器码,以提高执行效率。
      • 垃圾回收器(Garbage Collector):负责自动管理内存,回收不再使用的对象。
  4. 本地库接口(Native Interface):Java 程序可以调用本地代码,从而实现对系统资源的直接访问或使用现有的本地库。

JVM的设计使得Java程序具有跨平台的特性,即“编写一次,到处运行”。通过将Java代码编译为字节码,JVM能够在不同的操作系统和硬件平台上执行这些字节码。

二、JVM 内存区 ----- 两栈一器私有,堆和方法区共享

1、堆(线程共享)
堆中存放几乎所有对象实例,所有程序所创建的对象均保存在堆中

2、Java虚拟机栈(线程私有)
虚拟机栈存放的是各类基本数据类型和对象的引用,包含四部分

  1. 局部变量表: 存放了编译器可知的各种基本数据类型(8大基本数据类型)、对象引用。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在执行期间不会改变局部变量表大小。简单来说就是存放方法参数和局部变量。
  2. 操作栈:每个方法会生成一个先进后出的操作栈。
  3. 动态链接:指向运行时常量池的方法引用。
  4. 方法返回地址:PC 寄存器的地址。

3、本地方法栈(线程私有)
本地方法栈和虚拟机栈类似,只不过虚拟机栈是给JVM使用的,本地方法栈是给本地方法使用的

4、程序计数器(线程私有)
每条线程都有自己的程序计数器,用来记录代码执行到的位置(行号)

5、方法区(线程共享)
用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

三、垃圾回收机制

JVM 垃圾回收机制--GC(Garbage Collection) 是 Java 虚拟机自动管理内存的一种方式,旨在回收不再使用的对象,以释放内存空间。以下是 JVM 垃圾回收机制的主要特点和工作原理:

1. 垃圾回收的基本概念

  • 垃圾对象:指没有任何引用指向的对象,这些对象无法再被程序访问。
  • 内存管理:JVM 自动管理内存的分配和释放,程序员无需手动释放内存。

2. 垃圾回收的工作原理

JVM 的垃圾回收通常通过以下几个步骤进行:

  • 标记:首先,JVM 会从根对象(如栈中的局部变量、静态变量等)开始,遍历所有可达对象,并标记这些对象为“活着”的对象。
  • 清除:在标记阶段结束后,JVM 会清除未被标记的对象,释放其占用的内存。
  • 整理(可选):在某些垃圾回收算法中,清除后会进行内存整理,将存活的对象移动到一起,以减少内存碎片。

3. 垃圾回收器

JVM 提供了多种垃圾回收器,常见的包括:

  • Serial GC:单线程的垃圾回收器,适用于小型应用。
  • Parallel GC:多线程的垃圾回收器,提高了垃圾回收的效率。
  • CMS(Concurrent Mark-Sweep):并发标记清除垃圾回收器,减少停顿时间。
  • G1(Garbage-First):能够同时进行垃圾回收和应用程序的执行,适用于大内存应用。

4. 垃圾回收的触发

垃圾回收通常在情况下触发:

  • 当堆内存达到一定阈值时。
  • 当系统内存不足时。
  • 手动调用 System.gc()(建议不使用,因为并不能保证立即回收)。

通过垃圾回收机制,JVM 可以有效地管理内存,减少内存泄漏和溢出的问题,提高程序的稳定性和性能

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