【JVM】深入了解Java虚拟机-------内存划分、类加载机制、垃圾回收机制

目录

什么是JVM?

内存划分：

1.堆 （共享）

2.栈 （私有）

3.元数据区（共享）

4.程序计数器（私有）

示例：

JVM 类加载

一.类加载过程

1.加载

2.验证

3.准备

4.解析

5.初始化

二.双亲委派模型

如何寻找文件？

双亲委派模型主要是为了应付以下场景：

是否可以打破双亲委派模型呢？

JVM垃圾回收机制

什么是垃圾回收（GC）？

谁是垃圾？ 

1.引用计数

2.可达性分析

释放垃圾策略：

1.标记-清除算法

2.复制算法

3.标记-整理算法

4.分代回收 

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什么是JVM?

JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机） 是一种虚拟化的计算机，允许在其上执行 Java 程序（以及其他由 Java 编译器编译成字节码的程序）。JVM 提供了一种跨平台的执行环境，使得开发者可以编写一次代码，并在任何安装了 JVM 的设备或操作系统上运行。这种跨平台能力通常被称为“一次编写，到处运行”的特性。

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内存划分：

JVM就是Java进程，当进程一旦跑起来之后，就会从操作系统里面申请一大块内存空间 

JVM就是要将这块空间进行划分成不同的区域，并且每个区域都有不同的功能作用

如下图所示：分为五块不同区间

1.堆 （共享）

堆是整个内存区域中最大的一块，放的内容就是代码new出来的对象 

堆里面分为两个区域：新生代和老生代，在讲到后面GC垃圾回收机制会提到....

2.栈 （私有）

分为Java虚拟机栈和本地方法栈

Java虚拟机栈存储的是保存了方法调用关系

本地方法栈存储的是本地方法的调用关系

3.元数据区（共享）

元数据区放的是“类数据”

class Test {
.....
}

Test.class就是类对象

还存放了一些方法相关的信息

例如：类有一些方法中，每个方法都代表了一系列的“指令集合”（JVM字节码指令）

还有常量池也存放在元数据区中，

4.程序计数器（私有）

程序计数器是内存区域里面最小的一块区域，它只需要保存当前要执行的下一条指令（JVM字节码）的地址

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在上述四块区域中，堆和元数据区的数据是在整个进程只有一份，每个线程都可以访问到，是大家共同可以使用的；而栈和程序计数器是每个线程中有一份，是只能每个线程跟每个线程独立的，不共同使用。

示例：

class Test {int a;Test2 t2 = new Test2();String s = "hi";static int b;}
public static void main() {Test t = new Test();
}

a，t2，s，b t 都存放在哪个区域中呢？

a存放在堆

t2存储在堆 new Test2()存在在堆 并且t2指向它

s 存放在堆 但"hi"存放在元数据上 s执行它

b 是静态变量 存放在元数据上

t 是局部变量存放在栈上 但它保存了对象的首地址(在堆上)

基本判断方法：
1）局部变量在栈上

2）成员变量在堆上

3）静态变量或方法都在元数据上

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JVM 类加载

一.类加载过程

一个java进程启动，要将.java文件转化成.class文件，加载到内存中，才能得到‘类对象’

类加载过程有以下几个环节：

1.加载

在硬盘中，找对对应的.class文件，读取文件里面的内容

2.验证

检查.class文件里的内容，看看是否符合要求JVM的规范要求，保证这些信息运行后不会危害到JVM的自身的安全；

3.准备

给类对象分配内存（元数据区），并设置类变量的初始值，如果类里有静态变量，那么值为0 /false /null 。。。

4.解析

针对字符串常量进行初始化，把刚才.class文件里面的常量的内容放到元数据区里

5.初始化

针对类对象进行初始化（不是对对象初始化，和构造方法无关），给静态成员进行初始化，执行静态代码块

这样类对象就加载完成，后续代码可以使用这个类对象，创建实例，或者使用里面的静态成员了...

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二.双亲委派模型

这个模型描述了JVM加载.class文件过程中，找文件的过程；

这个类加载中的 “双亲委派模型”出现在“加载”那个环节，根据代码中写的“全限定类名”找到对应的.class文件；
全限定类名：包名+类名 比如String -> Java.lang.String  List -> java.util.List;

如何寻找文件？

JVM内置了三个类加载器  负责加载不同的类

1.启动类加载器 BookstrapClassLoader  爷爷

负责加载标准库的类

2.扩展类加载器 ExtensionClassLoader  爸爸

负责加载JVM扩展库的类

3.应用类加载器 ApplicationClassLoader 儿子

负责加载第三方库的类 和自己代码写的类

这里标注了它们之间的关系并不是类的继承之间的关系，而是通过类加载器中存在一个parent字段 可以指向他们 类似树  所有它也可以称做“父亲委派模型”/“单亲委派模型”

当子类加载器需要加载类时，它会首先将请求委托给父类加载器，直到请求最终被顶级加载器（即 BookstrapClassLoader）处理。只有在父类加载器无法处理该请求时，子类加载器才会尝试加载该类。此时，如果儿子类加载器也没有找到，最后就会抛出ClassNotFoundException

双亲委派模型主要是为了应付以下场景：

当你自己的代码中写的类，类的名称和标准库/扩展库的类发生了冲突，JVM会确保加载的类是标准库上的类，就不加载自己写的类了，如果标准库的类不能加载，那么可能整个Java进程都没法加载了；

是否可以打破双亲委派模型呢？

答案当然是可以

自己写个类加载就行。。。

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JVM垃圾回收机制

什么是垃圾回收（GC）？

垃圾回收机制，是Java提供对于内存自动回收的机制；

JVM（Java虚拟机）的垃圾回收（Garbage Collection，GC）机制是 Java 运行时管理内存的重要部分。其主要目的是自动化地回收那些不再被使用的对象，从而释放内存，避免内存泄漏，提高系统的稳定性和效率。JVM 的垃圾回收机制有一套复杂的算法和流程，但也让 Java 开发者无需手动管理内存。

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在GC中，最主要回收的堆上的内存

1）程序计数器：不需要额外回收，线程销毁，自然就没了

2）栈：同理，线程销毁，也就没了

3）元数据区：一般也不需要，都是加载类，不需要卸载类

4）堆： 存放的都是对象实例 GC的主力部分

GC的主要流程，找到谁是垃圾（不再使用的对象），并且给它回收。 

谁是垃圾？ 

在一个对象中，创建的时间往往可以确定，但什么时候不再使用，却是很模糊的。在编程中，一定要确保每个对象都是有效的，可不敢提前释放；

因此，判断一个对象是否需要回收，采取的策略都是比较保守的 

Test t = new Test();

使用对象，是通过引用的方式来使用的，如果没有引用这个对象，那么这个对象将在代码中肯定不能使用。

如果 t = null；

new Test() 这个对象没有引用指向了，那么它就可以是作为垃圾；

具体是怎么判断对象是否有无引用，以下会介绍俩种方法。

1.引用计数

这个不是JVM使用的方案，而是Python/PHP等语言使用的方案 

Test a = new Test();
b = a;

b = null;
a = null;

给对象加个引用计数器，当有地方指向它，那么计数器+1，如果引用失效时，那么计数器-1；

如果计数器为0，那么这个对象将会被当做垃圾被回收

但是有以下几个问题：

1. 消耗额外的空间，如果对象非常大还好，浪费的空间可以接受，但是你对象很小，还要额外开销内存，就会浪费很多空间；

2.存在“循环引用”的问题；

class Test {Test t;
}Test a = new Test();
Test b = new Test();
a.t = b;
b.t = a;

第一步：

第二步：

a = null;
b = null;

此时，这俩对象互相执行对方，导致这俩个计数器都为1（但不为0，所有不是垃圾），但是外部代码也访问不到这对象；

Python/PHP它们如果检测到了循环引用就会提供了报错信息；

2.可达性分析

以一系列被称为 “GC Roots” 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到任何一个 GC Roots 没有引用链相连时，则证明该对象是不可达的，是可以被回收的对象。

GC Roots 对象：包括虚拟机栈中引用的对象、本地方法栈中引用的对象、元数据区中类静态属性引用的对象、元数据区中常量引用的对象等。

举例：类似树形状

如果将 a.right = null；

那么 c 将会断开 ，外面将找不到c了 那个就可视为 c 和 f 都是垃圾了

由于可达性分析，需要消耗一定的时间，因此Java垃圾回收，没法做到”实时性“，周期性进行扫描（JVM提供了一组专门的负责GC的线程，不停的进行扫描工作）；

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释放垃圾策略：

1.标记-清除算法

这种算法存在的问题是：

• 碎片化：回收后的内存空间可能会分散，导致内存碎片化，降低内存使用效率。很难使用到连续大的内存。
• 效率问题：标记和清理过程需要扫描所有对象，性能可能较差。

2.复制算法

将内存分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。 

释放1 3 5 保留 2 4

 当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块内存中，然后把使用过的这块内存空间一次清除掉。

这种算法的优点是避免了内存碎片化，但缺点是需要两倍于 Eden 区的内存空间来存储对象。

3.标记-整理算法

首先标记出所有需要回收的对象，然后让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清除掉端边界以外的内存。

类似顺序表删除中间元素 

• 优点：不会产生内存碎片，提高了内存的利用率；标记和压缩的过程相对来说效率较高。
• 缺点：相对于标记 - 清除算法，增加了对象移动的开销，需要更新对象的引用地址等

4.分代回收 

上述三个方案，只是铺垫，JVM中的实际方案，是综合上述的方案，更复杂的策略，分代回收（即分情况讨论，根据不同的场景/特点选择合适的方案）

 

新生代中的对象存活率较低，通常采用复制算法进行垃圾回收；老年代中的对象存活率较高，一般采用标记 - 清除算法或标记 - 整理算法进行垃圾回收。 

新生代：又分为 Eden 区和两个 Survivor 区，比例一般为 8:1:1。

新创建的对象都在Eden区，当 Eden 区满了之后，会触发一次 GC，只有少部分对象可以活过第一轮GC

Eden区 -> Survivor区 通过复制算法（由于存活数量少，复制算法的开销也比较低，Survivor区的空间也不是很大）

Survivor区 ->另一个Survivor区 通过复制算法  每一轮GC下来，Survivor区都会淘汰一部分对象，剩下的通过复制算法进入下一个Survivor区，存活下来的对象年龄+1

Survivor区 -> 老年代 某些对象 经过多次GC 还没有变成垃圾 那么将会复制到老年代区

老年代区的对象也是需要进行GC的，但是老年代中的对象都是生命周期比较久的，因此可以减小GC的频率