【进阶】JVM篇

为什么学习jvm

1、面试的需要

学过java的程序员对jvm应该不陌生，程序员为什么要学习jvm呢？其实不懂jvm也可以照样写出优质的代码，但是不懂jvm会被大厂的面试官虐的体无完肤。

2、高级程序员需要了解

jvm作用

jvm负责把编译后的字节码转换为机器码

jvm内部构造

1.类加载部分：负责把硬盘上字节码加载到内存中（运行时数据区）

2.运行时数据区：负责存储运行时产生的各种数据 类信息，对象信息，方法信息……

3.执行引擎：负责将字节码转为机器码

4.本地方法接口：调用本地方法， Object类中的 hashCode()--拿对象的内存地址

public native int hashCode();

private native int read0() throw IOEception;

垃圾回收部分

jvm类加载系统

1.类加载子系统概述

类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载class文件，类加载系统只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由执行引擎决定。

加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间

类加载系统，负责将硬盘上的字节码文件加载到jvm中，生成类的Class对象，存储在方法区。

类就是一个模板

2、类加载过程

1.加载

以二进制字符流进行读取

在内存中为类生成Class对象

2.链接

·验证：检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致；

·准备 为类的静态属性进行初始化的赋值

准备阶段 先赋值为默认0 在初始化阶段赋值为‘123’

·解析 把字节码的符号引用 替换成 内存中的直接引用地址

3.初始化

初始化阶段主要是为类中的静态成员进行赋值

因为类加载执行完初始化阶段，才说明类加载完成了。

类在哪些情况下会被加载

调用类中静态成员（变量，方法）

new关键字调用

执行该类的main()

反射加载类 Class class.forName("地址");

子类被加载

类在以下两种情况下，是不会被加载的

1.类作为数组类型 Demo[] demo = new Demo[10]; //new的数组对象   不是Demo对象 
​
2.只是访问类中的静态的常量 System.out.println(Demo.P);// 优化 不加载整个类了，只获取到用到的静态常量

类加载器

类加载器就是实际负责读取类的功能

类加载器分类：

站在jvm的角度上，分为

引导类加载器（不是用java写的，是用c/c++），负责读取加载java中底层系统库

java写的类加载器（用来读取我们写的应用程序）

在细分类加载器

1.启动类加载器

C/C++语言实现，负载加载java核心类库（系统库 java.lang）

2.扩展类类加载器

用java语言实现的，继承ClassLoader类，加载jre下面扩展类的 jre/lib/ext 子目录

3.应用程序类加载器

用java语言实现的,继承ClassLoader类,用于加载用户自己定义的类(开发的应用程序).

双亲委派机制

当加载一个类时,总是先让他的父级类加载器去加载,确保把系统中类优先加载,直到父类加载器找不到类时,再逐级向下,让子类加载器加载,

如果子级也找不到,最终抛出类找不到异常

为什么这样做?

防止我们自己写的类替换了系统中的类

如何打破双亲委派机制

自定义类加载器

MyClassLoader extends ClassLoader
//重写findClass()

运行时数据区

存储运行时产生的各种数据

程序计数器

程序计数器用来记录每一个线程执行的指令位置,

速度是最快的,是线程私有的(每一个线程都会有一个程序计数器)

此区域不会出现内存溢出,也不会垃圾回收

虚拟机栈

栈是运行的,解决程序方法执行,在虚拟机栈中，运行我们java自己写的方法

调用方法,方法入栈,运行结束出栈(先进后出 栈顶的方法,称为当前栈帧)

一个方法就是一个栈帧,在栈帧中存储局部变量,运行结果……

虚拟机栈也是线程私有的，线程之间互相隔离

栈区域不存在垃圾回收，但是会存在内存溢出问题

栈帧中存储什么内容?

局部变量表 int a=10;

操作数栈(计算过程) int c = a+b;

方法返回地址

本地方法栈

本地方法栈是用来执行调用的本地方法的.

是线程私有的,不会存在垃圾回收,

会出现内存溢出问题

堆

堆概述

堆的作用是用来存储java语言产生的对象的.

是运行时数据区中最大的一块内存空间,空间大小可以设置

堆空间是所有线程共享的.

对空间是垃圾回收的重点区域,堆中没有被使用到的垃圾对象,会被垃圾回收器回收调用

堆空间区域划分

堆分为

新生区(新生代 年轻代)

伊甸园区

幸存者0区

幸存者1区

老年区(老年代)

为什么分区(代)?

可以将不同生命周期的对象存储在不同的区域,针对不同的区域采用不同的垃圾回收算法,使得垃圾回收策略更加优化.

对象创建存储过程

新创建的对象都存储在伊甸园区

当垃圾回收时,将还被使用的对象,转移至某一个幸存者区,将伊甸园区进行清除,

当下一次垃圾回收时,将伊甸园区存储的对象与当前正在使用的幸存者区存活的对象,转移至另一个幸存者区(每一次会空闲一个幸存者区)

当一个对象经历过15次垃圾回收后,仍然存活的话,那么就把该对象移动到老年代,

老年代就比较少的进行垃圾回收,在老年代空间不足时,对老年代会进行垃圾回收,

当回收后,内存仍然不足时,会触发FULL GC(整堆收集 应尽量避免)

当整堆收集后仍然不够使用,那么就会出现内存溢出错误 --OOM

jvm调优

可以根据程序具体的使用场景，对运行时数据区的各种空间大小调整 例如堆，方法区

对垃圾回收器进行选择（根据使用的场景选择单线程的或者是多线程的）

方法区

方法区主要用来存储加载的类 信息

方法区的大小也是可以设置的

方法区也会进行垃圾回收，方法区也可能会出现内存溢出的问题

方法区的垃圾回收

方法区的垃圾回收，是对类信息进行回收的

类信息如果不再被使用，类信息也可以被卸载

卸载条件

该类所产生的对象都不存在了

该类的Class对象，也不再被使用了

加载该类的类加载器也被回收了.

本地方法接口

是虚拟机中专门用来调用本地方法的接口

什么是本地方法

在java中被native关键字修饰的方法，没有方法体，不是用java语言实现的方法，用C/C++在操作系统底层实现的方法

Object hashCode() 获取对象内存地址 涉及到读取内存

IO中读文件（输入文件 操作硬盘） read0();

启动线程 native void start0(); 启动线程 就是把这个线程注册到操作系统

java中为什么要调用本地方法

因为java属于应用层语言，有时候，需要对硬件系统资源进行调用

此时就不方便，再一个系统资源不允许应用层程序直接调用

那么就需要通过本地方法 调用操作硬件资源

执行引擎

1.执行引擎是java虚拟机核心的组成部分之一

主要作用是将加载到虚拟机中的字节码，再次转换为机器码（字节码并不是系统能够直接执行的机器码）

执行引擎可以通过解释/编译两种方式 实现将字节码转为机器码

java程序执行过程中涉及两次编译

第一次 .java（源代码 通过jdk javac 调用编译器） -->.class文件 称为前端编译

第二次 通过执行引擎 将字节码 编译为 机器码 称为后端编译

将字节码转为机器码有两种方式：

解释器（解释执行）：对字节码逐行进行解释翻译，重复性的代码，也是每次都要解释执行，效率低

编译器（编译执行）：对某一段字节码进行整体编译，然后存储起来，以后使用时不再需要编译了，效率高。

编译器会针对执行过程中的热点代码进行编译，并缓存起来

为什么要使用解释执行和编译执行并存这样的设计？

程序开始运行时，解释器可以立即发挥作用，投入使用

而编译器虽然执行效果高，但是前期需要对热点代码进行跟踪和编译，需要消耗时间

垃圾回收

什么是垃圾对象？

垃圾是指在运行程序中没有任何引用指向的对象

就是一个对象 不再被任何的引用所指向。

没有任何引用所指向的对象

垃圾对象如果不清理，新的对象可能没有足够的空间，可能会导致内存的溢出问题。

垃圾回收发展

早期c/c++这类语言，内存管理都是手动的，使用时申请，使用完后手动释放

优点：对内存管理更加精确，效率高

缺点：增加程序员的负担，控制不好，容易出事（忘了释放，误操作内存空间）

后来发展为自动回收：

java，，C#…都采用自动垃圾回收

优点：解放了程序员

缺点：会占用一些内存空间(垃圾不是出现后立即回收的)，降低了程序员管理内存的能力

哪些区域会出现垃圾回收？

堆 对象 频繁回收年轻代 较少回收老年代

方法区 类信息卸载 整堆收集时，会进行回收 FULL GC

内存溢出与内存泄漏

内存溢出：内存不够用了

内存泄漏：系统中那些用不到的，但是又不能回收的对象

案例：单例对象

数据库连接对象，IO流，socket 这些提供close()类

用完之后,如果没有关闭, 垃圾回收器是不能主动回收这些对象的.

内存泄漏,虽然不能直接触发内存溢出,但是长期有对象不能被回收,也是导致内存泄漏的原因之一.

Stop the world

垃圾回收时。会经历两个阶段：一是标记阶段 二是回收阶段。

在标记和回收时，需要我们的用户线程暂停，不暂停的话 在标记和回收时可能会出现错标和漏标

垃圾回收阶段算法

1.垃圾标记阶段

将虚拟机中不再被任何引用指向的对象标记出来，在垃圾回收阶段，就会将标记出来对象进行回收

垃圾标记阶段相关算法

引用计数算法(存在缺陷的,没有被虚拟机所使用的)

设计思想: 在对象中维护一个整数计数器变量 当有引用指向对象时,计数器就加一,相反就减一(引用断开)

优点: 设计实现简单,容易分辨对象是否是垃圾对象

缺点:需要维护一个变量存储引用数量,频繁修改引用计数器变量,占空间,还耗时

最重要的是,无法解决循环引用问题

可达性分析算法(根搜索法)

设计思想：从一些可以被称为GCRoots的对象开始向下查找，只要某一个对象与GCRoots对象有联系的，就可以判定对象是被使用的，与跟对象引用链没有任何关系的对象，可以视为垃圾对象

哪些对象可以作为GCRoots(根对象)？

1.虚拟机栈中（被调用的方法）所使用的对象

2.类中的静态属性

3.虚拟机中使用的系统类对象

4.所有被同步锁synchronized持有的对象

对象中的finalize机制

Object类中有一个finalize()这个方法是在对象被回收之前，由虚拟机自动调用的，

在对象被回收前，需要执行的一些操作，就可以在此方法中编写

finalize()方法可以在子类中重写

finalize()方法指挥被调用一次（第一次被判定为垃圾，要对其回收，调用finalize()，对象有可能又被引用了，对象就不能被回收，当下一次被判定为垃圾对象时，就不会调用finalize()）

由于finalize()方法存在，被标记为垃圾的对象，也不是非死不可的。

可以将对象分为三种状态：

可触及：被GCRoots引用的， 不是垃圾对象

可复活的：被判定为垃圾的,但是finalize()方法还没有被调用过的

不可触及的（必死无疑的）：被判定为垃圾，且执行过finalize()方法

2.垃圾回收阶段

1.标记-复制算法

将内存可以分为多个较小的块，当发生垃圾回收时，将一个区域中存活的对象复制到另一个区域，

在另一个区域从头开始排列，清除当前垃圾回收的区域

优点：清理之后，内存没有碎片

不足：回收时，需要移动对象，所以适合小内存块，而且存活对象少的情况

适合用于新生代

2.标记-清除算法

将被标记为垃圾的对象地址进行记录。后面如果分配新对象，判断垃圾对象空间能否存储下新的对象,

如果能存储下,用新对象直接覆盖垃圾对象即可

存活对象是不发生移动的.

优点:不会移动对象

不足:回收后,内存空间碎片化

3.标记-压缩(整理)算法

将存活的对象会移动到内存区域的一端,按顺序排列(压缩),清理边界以外的空间,在标记清除的基础上进行一次内存整理.

优点:回收后没有内存碎片

标记-清除和标记压缩对比

标记-清除:不移动存活对象

标记-压缩:会移动存活对象

两者都适合用于老年代对象回收

先使用标记-清除,当老年代 空间不足时,或者不能存储一个比较大的对象时,在使用标记-压缩算法

垃圾回收时,根据不同的分区采用不同的回收算法

新生代 : 标记-复制

老年代 : 标记-清除 标记-压缩

垃圾回收器

什么是垃圾回收器

垃圾回收器,是对垃圾回收过程实践者(落地)

不同的虚拟机中,垃圾回收器种类也是很多的

有哪些垃圾回收器 特点

垃圾回收器分类:

从线程数量上分:

单线程 垃圾回收线程只有一个

多线程 有多个垃圾回收线程

从工作模式上分:

独占式:垃圾回收线程执行时,其他用户线程需要暂停(stop the world)

并发式: 垃圾回收线程和用户线程可以做到并发执行

从分区角度上分：

新生代

老年代

垃圾收集器性能指标:

吞吐量

用户线程暂停时间（重点）

回收时内存开销

Serial 单线程 新生代

Serial Old, 单线程 老年代

ParNew、Parallel Scavenge, 多线程 新生代收集器

Parallel Old, 多线程老年代收集器

CMS, 多线程老年代收集器 （开创了垃圾收集线程与用户线程并发执行的先例）

并发标记清除 收集器

初始标记 --独占执行

并发标记 --并发执行

重新标记 --独占执行

并发清除 --并发执行

G1

G1垃圾回收器，继承了CMS中，垃圾收集线程和用户线程并行执行的特点，减少了用户线程暂停的时间

同时，将新生代和老年代的各个区域，又划分成更小的区域，对每个区域进行跟踪，

优先回收价值高的区域（垃圾多的区域，例如可以把伊甸园区可以分成好几个小的区域）

提升回收效率，提高了吞吐量，不再区分年轻代和老年代，可以做到对整个堆进行回收。

非常适合服务器端程序，大型项目

设置垃圾回收器