深入理解Java虚拟机

Posted 2021-01-22

一、运行时数据区域

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1、程序计数器：

• 当前线程执行字节码的行号指示器（通过改变计数器的值来选择下条需要执行的字节码指令）
• 每个线程有独立的程序计数器（线程私有，为了切换线程时能恢复到挣钱的执行位置）
• 如果执行java方法，计数器记录正在执行的字节码指令地址。如果执行的是Native方法，计数器为空。
• 唯一没规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、虚拟机栈

• 为执行Java方法服务
• 线程私有，声明周期跟线程一致
• 一个Java方法执行到结束的过程：栈帧从入栈到出栈的过程
• 栈帧存储局部变量表（包括基本数据类型和对象的引用类型）、操作栈、动态链接、方法出口等信息
• 异常：线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，抛出StackOverflowError。虚拟机动态扩展过程中无法申请到足够的内存，会抛出OutOfMemoryError异常。

3、本地方法栈

• 为虚拟机用到的Native方法服务
• 也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError的异常

4、Java堆

• 用来存储对象的实例
• 所有线程共享的一块内存区域
• 从内存回收的角度可以分为新生代和老年代

5、方法区

• 存放被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等
• 线程共享

6、运行时常量池

• 方法区的一部分
• 存放编译期生成的各种字面量和符号引用

二、垃圾回收（GC）

• 哪些内存需要回收
• 什么时候回收
• 怎么回收

1、判断对象是否存活

1、引用计数法：

• 给Java对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器+1；引用失效则-1。当计算器不为0时，判断对象存活
• 缺点：如果两个对象相互循环引用时，因为计算器不为0，不能被回收。实际上对象应该被回收。

2、可达性分析算法：

 

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（1）原理：
把"GC Roots"的对象作为起点，然后向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，即该对象不可达，也就说明此对象是不可用的。

（2）可作为GC Root对象：

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI引用的镀锡

3、判断一个类可回收：

• 该类所有实例对象被回收
• 加载该类的ClassLoader已经被回收
• 该类对应的Class对象没被引用，无法通过反射访问该类的方法

2、引用类型

通过引用的强度分为强、软、弱、虚四种引用类型

• 强应用：一般Object b=new Object()这类引用，只要强引用存在，GC就不会回收被引用的对象。
• 软引用：系统在发生内存溢出之前，会将这些对象二次回收。如果还没足够内存，才会抛出内存溢出异常。通过SoftReference来实现。
• 弱引用：GC回收时，无论内存是否足够，都会收会被弱引用关联的对象。通过WeakReference来实现。
• 虚引用：作用是在对象被回收时收到一个系统通知。通过PhantomReference来实现。

3、垃圾收集算法

1、标记-清除算法：标记出所有需要回收的对象，标记完统一清除被标记的对象。

缺点：

• 标记和清理的效率不高
• 标记清除后会产生大量不连续的内存碎片

2、复制算法：将内存分为大小相等的两块，每次只用一块，当这一块内存用完，将存活对象复制到另一块，将使用过的内存一次清理。

优缺点：

• 不会产生内存碎片的问题
• 缺点是将内存缩小到了之前的一半
• 在对象存活率高时进行多次复制操作，效率会低。

3、标记-整理算法：标记需要回收的对象，将存活对象向一端移动（整理），清理掉可回收的对象。

4、分代收集算法：根据对象存活周期不同，将Java堆内存分为新生代和老年代。

• 新生代：只有少量对象存活，使用复制算法。
• 老年代：大量对象存活，使用标记清除或者标记整理算法。

三、类加载机制

1、类加载时机

1、定义：
把Class文件加载到内存中，并对数据进行校验、解析和初始化，行成可被虚拟机直接使用的Java类型。类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存结束。

2、生命周期：

• 加载
• 验证
• 准备
• 解析
• 初始化
• 使用
• 卸载 加载、验证、准备、初始化、卸载的顺序确定。

3、需要对类进行初始化的场景

• new实例化对象、读取或设置类的静态字段，调用类的静态方法（被final修饰，已在编译期将结果放入常量池的静态字段除外）
• 对类进行反射
• 初始化一个类，若父类还没初始化，先触发父类的初始化
• 需指定一个执行的主类（包含main方法的类），虚拟机先初始化该类
• JDK1.7动态语言，MethodHandle实例解析结果REF_getStatis、REF_putStatis、REF_invokeStatis的方法句柄

4、不会方法初始化的场景：
所有引用类的方式不会触发初始化，例如子类引用父类的静态字段，只触发父类初始化。

5、接口初始化和类初始化的区别：
接口初始化时，不要求其父类接口全部完成初始化。

2、类加载过程

包括加载、验证、准备、解析、初始化5步

1、加载：

• 通过类全限定名获取定义该类的二进制字节流
• 将字节流的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
• 内存中生成该类的Class对象，作为访问该类数据的入口

2、验证：

• 文件格式验证，验证字节流是否符合Class文件格式规范
• 元数据验证，对字节码描述的信息进行语义分析
• 字节码验证，确定语义合法
• 符号引用验证，对常量池符号引用校验

3、准备： 为类变量（static修饰的变量）分配内存并设置变量初始值

4、解析： 将常量池符号引用替换为直接引用（直接指向目标的指针）的过程

5、初始化： 开始执行类中定义的Java代码

3、类加载器

同一个Class文件，被两个不同的类加载器加载，这两个类不相等。相等包括equals、instanceOf、isInstance方法返回的结果。

1、类别：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载<JAVA_HOME>lib目标，或者被-Xbootclasspath参数指定的路径，可被虚拟机识别的类库
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载<JAVA_HOME>libext目录，或被java.ext.dirs系统变量指定的路径的类库
• 应用类加载器（Application ClassLoader）：加载ClassPath上指定的类库

2、双亲委托机制
除了顶层的类加载器外，其他的类加载器都有自己的父类加载器。父子之间通过组合来复用父加载器代码。
双亲委托机制的工作流程：一个类加载器收到类加载的请求，首先将请求委托给父类加载器去完成，最终所有加载请求都会传递给顶层的启动加载器中。当父加载器发现未找到所需的类而无法完成加载请求时，子加载器才尝试去加载。

ClassLoader

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
    //检查请求的类是否已经被加载
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                //让父类加载器去尝试加载
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            //父类加载器抛异常
        }

        if (c == null) {
            //然后调用自身的findClass方法来进行类加载
            c = findClass(name);
        }
    }
    return c;
}

• 先检查是否被加载过，如果没有则调用父加载类去加载
• 父加载器为空，则调用启动类加载器
• 父加载器加载失败，则抛出ClassNotFoundException异常
• 然后去调用自身的findClass方法去进行类加载