JVM的基础入门（上）

关于JVM都需要了解哪些基础？一文带你详细了解，欢迎收藏！

JVM内存划分

▐  JVM运行时数据区域

堆、方法区（元空间）、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

• Heap(堆)

对象的实例以及数组的内存都是要在堆上进行分配的，堆是线程共享的一块区域，用来存放对象实例，也是垃圾回收（GC）的主要区域；开启逃逸分析后，某些未逃逸的对象可以通过标量替换的方式在栈中分配。堆细分：新生代、老年代，对于新生代又分为：Eden区和Surviver1和Surviver2区。

• 方法区

对于JVM的方法区也可以称之为永久区，它储存的是已经被java虚拟机加载的类信息、常量、静态变量；Jdk1.8以后取消了方法区这个概念，称之为元空间（MetaSpace）；当应用中的 Java 类过多时，比如 Spring 等一些使用动态代理的框架生成了很多类，如果占用空间超出了我们的设定值，就会发生元空间溢出。

• 虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，他的生命周期和线程的生命周期是一致的。里面装的是一个一个的栈帧，每一个方法在执行的时候都会创建一个栈帧，栈帧中用来存放（局部变量表、操作数栈 、动态链接 、返回地址）；在Java虚拟机规范中，对此区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将会抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

1. 局部变量表：局部变量表是一组变量值存储空间，用来存放方法参数、方法内部定义的局部变量。底层是变量槽（variable slot）
2. 操作数栈：是用来记录一个方法在执行的过程中，字节码指令向操作数栈中进行入栈和出栈的过程。大小在编译的时候已经确定了，当一个方法刚开始执行的时候，操作数栈中是空发的，在方法执行的过程中会有各种字节码指令往操作数栈中入栈和出栈。
3. 动态链接：因为字节码文件中有很多符号的引用，这些符号引用一部分会在类加载的解析阶段或第一次使用的时候转化成直接引用，这种称为静态解析；另一部分会在运行期间转化为直接引用，称为动态链接。
4. 返回地址（returnAddress）：类型（指向了一条字节码指令的地址）JIT即时编译器（Just In Time Compiler），简称 JIT 编译器: 为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化，比如锁粗化等。

• 本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈类似，不同的是虚拟机栈服务的是Java方法，而本地方法栈服务的是Native方法。在HotSpot虚拟机实现中是把本地方法栈和虚拟机栈合二为一的，同理它也会抛出StackOverflowError和OOM异常。

• PC程序计数器

PC，指的是存放下一条指令的位置的一个指针。它是一块较小的内存空间，且是线程私有的。由于线程的切换，CPU在执行的过程中，需要记住原线程的下一条指令的位置，所以每一个线程都需要有自己的PC。

▐  堆内存分配策略

1. 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机执行一次MinorGC。而那些无需回收的存活对象，将会进到 Survivor 的 From 区（From 区内存不足时，直接进入 Old 区）。
2. 大对象直接进入老年代（需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
3. 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄（Age Count）计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，直到达到阀值（默认15次），对象进入老年区。
4. （动态对象年龄判定：程序从年龄最小的对象开始累加，如果累加的对象大小，大于幸存区的一半，则将当前的对象 age 作为新的阈值，年龄大于此阈值的对象则直接进入老年代）。
5. 每次进行Minor GC或者大对象直接进入老年区时，JVM会计算所需空间大小如小于老年区的剩余值大小，则进行一次Full GC。

▐  创建一个对象的步骤

步骤：类加载检查、分配内存、初始化零值、设置对象头、执行init方法

1. 类加载检查：
   虚拟机遇到 new 指令时，⾸先去检查是否能在常量池中定位到这个类的符号引⽤，并且检查这个符号引⽤代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执⾏相应的类加载过程。
   
2. 分配内存：
   在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新⽣对象分配内存，分配⽅式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择那种分配⽅式由 Java 堆是否规整决定，⽽Java堆是否规整⼜由所采⽤的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
   
3. 初始化零值：
   内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值，这⼀步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使⽤，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
   
4. 设置对象头：
   初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进⾏必要的设置，例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希吗、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象头中。另外，根据虚拟机当前运⾏状态的不同，如是否启⽤偏向锁等，对象头会有不同的设置⽅式。
   
5. 执⾏ init ⽅法：
   从虚拟机的视⻆来看，⼀个新的对象已经产⽣了，但从Java 程序的视⻆来看， ⽅法还没有执⾏，所有的字段都还为零。所以⼀般来说（除循环依赖），执⾏ new 指令之后会接着执⾏ ⽅法，这样⼀个真正可⽤的对象才算产⽣出来。
   

▐  对象引用

普通的对象引用关系就是强引用。

软引用用于维护一些可有可无的对象。只有在内存不足时，系统则会回收软引用对象，如果回收了软引用对象之后仍然没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

弱引用对象相比软引用来说，要更加无用一些，它拥有更短的生命周期，当 JVM 进行垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收被弱引用关联的对象。

虚引用是一种形同虚设的引用，在现实场景中用的不是很多，它主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

JVM类加载过程

过程：加载、验证、准备、解析、初始化

加载阶段：

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
   
2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
   
3. 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.class对象，作为方法区这些数据的访问入口。
   

验证阶段：

1. 文件格式验证（是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理）
   
2. 元数据验证（对字节码描述的信息进行语意分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范要求）
   
3. 字节码验证（保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为）
   
4. 符号引用验证（虚拟机将符号引用转化为直接引用时，解析阶段中发生）
   

准备阶段：准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段。将对象初始化为“零”值

解析阶段：解析阶段时虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

字符串常量池：堆上，默认class文件的静态常量池

运行时常量池：在方法区，属于元空间

初始化阶段：初始化阶段时加载过程的最后一步，而这一阶段也是真正意义上开始执行类中定义的Java程序代码。

▐  双亲委派机制

每⼀个类都有⼀个对应它的类加载器。系统中的 ClassLoder 在协同⼯作的时候会默认使⽤ 双亲委派模型 。即在类加载的时候，系统会⾸先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。加载的时候，⾸先会把该请求委派该⽗类加载器的 loadClass() 处理，因此所有的请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。当⽗类加载器⽆法处理时，才由⾃⼰来处理。当⽗类加载器为null时，会使⽤启动类加载器 BootstrapClassLoader 作为⽗类加载器。

使用好处：此机制保证JDK核心类的优先加载；使得Java程序的稳定运⾏，可以避免类的重复加载，也保证了 Java 的核⼼ API 不被篡改。如果不⽤没有使⽤双亲委派模型，⽽是每个类加载器加载⾃⼰的话就会出现⼀些问题，⽐如我们编写⼀个称为 java.lang.Object 类的话，那么程序运⾏的时候，系统就会出现多个不同的Object 类。

破坏双亲委派机制：

1. 可以⾃⼰定义⼀个类加载器，重写loadClass方法；
2. Tomcat 可以加载自己目录下的 class 文件，并不会传递给父类的加载器；
3. Java 的 SPI，发起者 BootstrapClassLoader 已经是最上层了，它直接获取了 AppClassLoader 进行驱动加载，和双亲委派是相反的。
   

▐  tomcat的类加载机制

步骤：

1. 先在本地cache查找该类是否已经加载过，看看 Tomcat 有没有加载过这个类。
   
2. 如果Tomcat 没有加载过这个类，则从系统类加载器的cache中查找是否加载过。
   
3. 如果没有加载过这个类，尝试用ExtClassLoader类加载器类加载，重点来了，这里并没有首先使用 AppClassLoader 来加载类。这个Tomcat 的 WebAPPClassLoader 违背了双亲委派机制，直接使用了 ExtClassLoader来加载类。这里注意 ExtClassLoader 双亲委派依然有效，ExtClassLoader 就会使用 Bootstrap ClassLoader 来对类进行加载，保证了 Jre 里面的核心类不会被重复加载。比如在 Web 中加载一个 Object 类。WebAppClassLoader → ExtClassLoader → Bootstrap ClassLoader，这个加载链，就保证了 Object 不会被重复加载。
   
4. 如果 BoostrapClassLoader，没有加载成功，就会调用自己的 findClass 方法由自己来对类进行加载，findClass 加载类的地址是自己本 web 应用下的 class。
   
5. 加载依然失败，才使用 AppClassLoader 继续加载。
   
6. 都没有加载成功的话，抛出异常。
   

总结一下以上步骤，WebAppClassLoader 加载类的时候，故意打破了JVM 双亲委派机制，绕开了 AppClassLoader，直接先使用 ExtClassLoader 来加载类。

JVM垃圾回收

▐  存活算法和两次标记过程

引用计数法：

给对象添加一个引用计数器，每当由一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

优点：实现简单，判定效率也很高

缺点：他很难解决对象之间相互循环引用的问题，基本上被抛弃

可达性分析法：

通过一系列的成为“GC Roots”(活动线程相关的各种引用，虚拟机栈帧引用，静态变量引用，JNI引用)的对象作为起始点，从这些节点ReferenceChains开始向下搜索，搜索所走过的路径成为引用链，当一个对象到GC ROOTS没有任何引用链相连时，则证明此对象时不可用的；

两次标记过程：

对象被回收之前，该对象的finalize()方法会被调用；两次标记，即第一次标记不在“关系网”中的对象。第二次的话就要先判断该对象有没有实现finalize()方法了，如果没有实现就直接判断该对象可回收；如果实现了就会先放在一个队列中，并由虚拟机建立的一个低优先级的线程去执行它，随后就会进行第二次的小规模标记，在这次被标记的对象就会真正的被回收了。

▐  垃圾回收算法

垃圾回收算法：复制算法、标记清除、标记整理、分代收集

复制算法：(young)将内存分为⼤⼩相同的两块，每次使⽤其中的⼀块。当这⼀块的内存使⽤完后，就将还存活的对象复制到另⼀块去，然后再把使⽤的空间⼀次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的⼀半进⾏回收；优点：实现简单，内存效率高，不易产生碎片缺点：内存压缩了一半，倘若存活对象多，Copying 算法的效率会大大降低
标记清除：(cms)标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统⼀回收所有被标记的对象缺点：效率低，标记清除后会产⽣⼤量不连续的碎⽚，需要预留空间给分配阶段的浮动垃圾
标记整理：(old)标记过程仍然与“标记-清除”算法⼀样，再让所有存活的对象向⼀端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存；解决了产生大量不连续碎片问题
分代收集：根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。新生代采用复制算法，新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象，存活对象较少，即要复制的操作比较少，一般将新生代划分为一块较大的 Eden 空间和两个较小的 Survivor 空间(From Space, To Space)，每次使用Eden 空间和其中的一块 Survivor 空间，当进行回收时，将该两块空间中还存活的对象复制到另一块 Survivor 空间中。老年代的对象存活⼏率是⽐较⾼的，⽽且没有额外的空间对它进⾏分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进⾏垃圾收集。Safepoint 当发生 GC 时，用户线程必须全部停下来，才可以进行垃圾回收，这个状态我们可以认为 JVM 是安全的（safe），整个堆的状态是稳定的。如果在 GC 前，有线程迟迟进入不了 safepoint，那么整个 JVM 都在等待这个阻塞的线程，造成了整体 GC 的时间变长。

MinorGC、MajorGC、FullGC

MinorGC 在年轻代空间不足的时候发生，
MajorGC 指的是老年代的 GC，出现 MajorGC 一般经常伴有 MinorGC。

FullGC 1、当老年代无法再分配内存的时候；2、元空间不足的时候；3、显示调用 System.gc 的时候。另外，像 CMS 一类的垃圾回收器，在 MinorGC 出现 promotion failure 的时候也会发生 FullGC。

对象优先在 Eden 区分配大多数情况下，对象在新生代 Eden 区分配，当 Eden 区空间不够时，发起 Minor GC。
大对象直接进入老年代大对象是指需要连续内存空间的对象，比如很长的字符串以及数组。老年代直接分配的目的是避免在 Eden 区和 Survivor 区之间出现大量内存复制。
长期存活的对象进入老年代虚拟机给每个对象定义了年龄计数器，对象在 Eden 区出生之后，如果经过一次 Minor GC 之后，将进入 Survivor 区，同时对象年龄变为 1，增加到一定阈值时则进入老年代（阈值默认为 15）
动态对象年龄判定为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不总是要求对象的年龄必须达到阈值才能进入老年代。如果在 Survivor 区中相同年龄的所有对象的空间总和大于 Survivor 区空间的一半，则年龄大于或等于该年龄的对象直接进入老年代。
空间分配担保

在发生 Minor GC 之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的空间总和，如果这个条件成立，那么 Minor GC 可以确保是安全的。如果不成立则进行 Full GC。

▐  垃圾收集器

• JDK3：Serial Parnew 关注效率
  

Serial：

Serial 是一个单线程的收集器，它不但只会使用一个 CPU 或一条线程去完成垃圾收集工作，并且在进行垃圾收集的同时，必须暂停其他所有的工作线程，直到垃圾收集结束。适合用于客户端垃圾收集器。

Parnew：

ParNew 垃圾收集器其实是 Serial 收集器的多线程版本，也使用复制算法，除了使用多线程进行垃圾收集之外，其余的行为和 Serial 收集器完全一样，ParNew 垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也要暂停所有其他的工作线程。

• JDK5：parallel Scavenge+（Serial old/parallel old）关注吞吐量
  

parallel Scavenge：(关注吞吐量)

Parallel Scavenge收集器关注点是吞吐量（⾼效率的利⽤CPU）。CMS等垃圾收集器的关注点更多的是⽤户线程的停顿时间（提⾼⽤户体验）；高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 时间，尽快地完成程序的运算任务，主要适用于在后台运算而不需要太多交互的任务。

Serial old：

Serial收集器的⽼年代版本，它同样是⼀个单线程收集器，使用标记-整理算法。主要有两个用途：

1. 在 JDK1.5 之前版本中与新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
   
2. 作为年老代中使用 CMS 收集器的后备垃圾收集方案。
   

parallel old：

Parallel Scavenge收集器的⽼年代版本。使⽤多线程和“标记-整理”算法。

• JDK8-CMS：（关注最短垃圾回收停顿时间）
  

CMS收集器是一种年老代垃圾收集器，其最主要目标是获取最短垃圾回收停顿时间，和其他年老代使用标记-整理算法不同，它使用多线程的标记-清除算法。最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验。CMS 工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂，整个过程分为以下 4 个阶段：

初始标记：只是标记一下 GC Roots 能直接关联的对象，速度很快，STW。

并发标记：进行 ReferenceChains跟踪的过程，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。

重新标记：为了修正在并发标记期间，因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，STW。

并发清除：清除 GC Roots 不可达对象，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。

由于耗时最长的并发标记和并发清除过程中，垃圾收集线程可以和用户现在一起并发工作，所以总体上来看CMS 收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行。

优点：并发收集、低停顿

缺点：对CPU资源敏感；⽆法处理浮动垃圾；使⽤“标记清除”算法，会导致⼤量空间碎⽚产⽣。

• JDK9-G1：（精准控制停顿时间，避免垃圾碎片）
  

是⼀款⾯向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及⼤容量内存的机器.以极⾼概率满⾜GC停顿时间要求的同时,还具备⾼吞吐量性能特征；相比与 CMS 收集器，G1 收集器两个最突出的改进是：

【1】基于标记-整理算法，不产生内存碎片。

【2】可以非常精确控制停顿时间，在不牺牲吞吐量前提下，实现低停顿垃圾回收。

G1 收集器避免全区域垃圾收集，它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域，并且跟踪这些区域的垃圾收集进度，同时在后台维护一个优先级列表，每次根据所允许的收集时间，优先回收垃圾最多的区域。区域划分和优先级区域回收机制，确保 G1 收集器可以在有限时间获得最高的垃圾收集效率。

1. 初始标记：Stop The World，仅使用一条初始标记线程对GC Roots关联的对象进行标记；
   
2. 并发标记：使用一条标记线程与用户线程并发执行。此过程进行可达性分析，速度很慢；
   
3. 最终标记：Stop The World，使用多条标记线程并发执行；
   
4. 筛选回收：回收废弃对象，此时也要 Stop The World，并使用多条筛选回收线程并发执行；
   

• JDK11-ZGC:（在不关注容量的情况获取最小停顿时间5TB/10ms）
  

着色笔技术：加快标记过程

读屏障：解决GC和应用之间并发导致的STW问题

1. 支持 TB 级堆内存（最大 4T， JDK13 最大16TB）
   
2. 最大 GC 停顿 10ms
   
3. 对吞吐量影响最大，不超过 15%

JVM的基础入门（下）：https://developer.aliyun.com/article/1480668