一、JVM的简单介绍
在刚学习Java时，老师就会向我们介绍三个东西：JDK（Java开发工具包）、JRE（Java运行时环境）、JVM（Java虚拟机）。
这里介绍一下，不同的CPU，上面支持的指令是不同的，市场CPU也有很多不同的架构（ARM、x86.....），而且不同的系统，生成的可执行程序也不同（Windows的是 PE格式，Linux 是ELF格式）；像C++这样的语言是直接编译成二进制的机器指令，如果要换个平台执行，就要重新编译，适配另一个机器CPU架构的二进制的机器指令。
这也是为啥手机的系统只有安卓和ios，如果搞一个新系统，现有的软件就不能适配，没有生态，也就没有市场。
JVM就是Java 虚拟机，我们知道java程序是可以跨平台运行的，其实就是因为JVM；Java先通过javac，把 .java文件 转换成 .class文件，要运行Java程序的时候，JVM就会把 .class文件转换成适配当前CPU的二进制机器指令，这样就不需要重新编译，来适配当前CPU了。
.class文件就是字节码文件，是Java自己搞的一套 “CPU指令”，在某个具体的系统平台上执行，通过JVM把 .class文件转换为对应CPU能是的指令。JVM相当于一个翻译官，把Java的字节码文件转换成当前CPU能识别的指令。
所以，我们编写和发布Java程序，只需要发布 .class文件 即可，如果在Windows系统上，就会把 .class文件 转换成Windows能支持的可执行程序，在Linux，就能转换成Linux上能支持的可执行程序。
不同平台上的 JVM 是存在差异的，不是同一个，但针对Java层面上，是同一一致的，当前的 .HotSpot VM是当前主流的 JVM。
JVM的执行流程
Java在执行前，要把Java代码转换成字节码（.class），而字节码是JVM的一套指令集规范，不能直接交给底层操作系统去执行，还要将字节码转换成底层系统指令，再交给CPU去执行。
二、JVM中的内存区域划分
JVM其实也是一个进程，那就能在任务管理器看到，启动之前写的UDP回显服务器，如图：
在任务管理器也会就有相关的进程，如图：
进程在运行过程中，就要向操作系统申请一些资源（内存就是其中的典型资源），这些内存空间，就支撑了后续Java程序的执行，其中，在Java中定义变量（就会申请内存），而这些内存，其实就是JVM申请的从系统这边申请到的内存。这里的JVM就类似 “二房东”（租客出租自己租的房间）。
JVM从系统申请了一块大块内存，这一大块内存给Java程序使用的时候，又会根据实际的使用用途，来划分出不同的空间，不同的区域有不同的作用，这就是所谓的 “区域划分”。它由以下5大部分组成，如图：
注意：这里的堆和栈、和数据结构中的堆和栈，完全不同。
1、堆（只有一份）
代码中 new 出来的对象，就都是在堆里，对象持有的非静态成员变量，也在堆里。
2、栈（可能有N份）
不同线程都会有自己的栈，所以是有N份。
这里的栈还能细分：本地方法栈和虚拟机栈，包含了方法调用关系和局部变量。其中本地方法栈（一般不会关注本地方法栈，谈到栈，默认指的是虚拟机栈），是Java内部的（通过C++写的代码），这里的方法调用关系和局部变量；而虚拟机栈记录了java代码的方法调用关系和局部变量。
3、程序计数器（可能有N份）
不同线程都会有自己的栈，所以是有N份。
这个区域空间比较小，专门用来存储下一条要执行的 Java 指令的地址。x86也有一个类似的寄存器：eip。
4、元数据区（只有一份）
以前的java版本中，叫做 “方法区”，从Java1.8开始就改名了。
“元数据” 是计算机中一个常见的术语，往往指定是一些辅助性、描述性的属性，比如硬盘上不仅仅要存储文本的数据，还有存储一些辅助信息：文件创建时间、文件格式、文件大小、文件位置等等。
在这里，元数据指的也是辅助性的属性：类的信息、方法的信息。一个程序，有哪些类；每个类包含哪些方法；每个方法包含哪些指令；这些都是放在元数据区的。
经典笔试题
如下是伪代码：
class Test { private int n; private static int m; } ...... main() { Test t = new Test(); }
问：上面的n、m、t分别在JVM中的哪个内存区域？（区分一个变量在哪个内存区域中，主要看的就是：变量的形态，局部变量、成员变量、静态成员变量.....）
n是Test的成员变量，所以在堆上。
t在main方法中，这个变量是局部变量，所以是在栈上。
m被static修饰，说明是类属性（非static修饰的称为“实例属性 / 方法”），就是在类对象中，也就是在元数据区中（方法区）。（类对象：Test.m，JVM把 .class文件 加载到内存之后，就会把这里的信息使用对象来表示，此时这样的对象就是类对象；类对象包含了一系列信息（包括但不限于）：类的名称，类继承自哪个类、实现了哪些接口；都有哪些属性，都叫啥名字，是啥类型，都是啥权限；都有哪些方法，都叫啥名字，都是啥参数，都是啥权限；.java文件 中涉及到的信息都会在 .class 中有所体现（注释不会包含））。
三、JVM的类加载机制
类加载，指的是java在运行程序的时候，需要把 .class文件 从硬盘，读取到内存，并进行一系列校验解析的过程。
类加载的过程，在java官方文档中给出了说明，如图：
正常来说，程序猿不需要关注这些具体的加载过程，工作上用不着，但面试要考。
类加载的过程
类加载大体的过程可以分为5个步骤（也有资料说是3个，就是把2、3、4给合并了）
1、加载
把硬盘上的 .class文件 找到，并且打开文件，读取里面的内容（认为读取到的是二进制的内容）。
2、验证
需要确保当前读取到的内容，是合法的（是 .class文件 格式的），具体的验证依据，在java的虚拟机规范文档中，有明确的格式说明。
平常我们说java有8,9,17的版本，而JVM也有版本，这里的JVM执行 .class文件， 也会验证版本是否符合要求，一般来说，高版本的JVM可以运行低版本的 .class文件，反之则不一定能行。
3、准备
给类对象申请内存空间，此时的申请到的内存空间，里面的默认值都是全 0 的。（这个阶段，类对象的静态成员变量值，也相当于是0）
4、解析
主要针对类中的字符串常量进行处理；解析阶段是 java虚拟机 将常量池内的 符号引用 替换为 直接引用 的过程，也就是初始化常量的过程。
现有一字符串变量，如下：
private String s = "hello";
上述代码中，很明确 s 变量保存了 hello ，是字符串常量的地址，但是在 .class 文件中，是没有地址这样的概念的，地址是内存的地址，这里是文件（硬盘），虽然没有地址，但这里可以用 “偏移量” 这样的概念（类似地址），进行标记，接下来要把 .class文件加载到内存中，hello这个字符串就加载到内存中了，此时 hello这个字符串就有地址了，原本s变量是用偏移量保存 hello 的，因为hello有地址了，就可以把s的值替换成 hello 的地址。如图：
而偏移量这里可以认为是 符号引用，把s的地址替换成hello的地址，就可以认为是 直接引用。
5、初始化
针对类对象，完成后续的初始化，把类对象的各个部分的属性进行赋值填充，这个阶段Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权交给应用程序。
双亲委派模型（JVM查找 .class文件 的策略）
JVM中进行类加载的操作，有一个专门的模块，称为 “类加载器（ClassLoader）”，JVM中的类加载器默认是有三个的（也可以自定义）：
1、BootstrapClassLoader：负责查找标准库的目录
2、ExtensionClassLoader：负责查找扩展库的目录
3、ApplicationClassLoader：负责查找当前项目代码目录，已经第三方库的目录
上述的三个类加载器，存在 “父子关系”，不是面向对象的父类、子类的继承关系，而是类似“二叉树”，有一个指针（引用）parent指向自己的 “父”类加载器。
标准库指的是，Java 语法规范里面描述了标准库中应该有哪些功能，而扩展库，是实现 JVM 的厂商 / 组织，会在标准库的基础上，扩充一些功能（JVM内置的，不同厂商的扩展可能不太一样）。这块内容在上古时期，用处比较多，随着时代发展，这块内容就很少会使用了。
双亲委派模型的工作过程
如图：
1、从 ApplicationClassLoader 作为入口，先开始工作。
2、ApplicationClassLoader 不会立即搜索自己负责的目录，而是把搜索的任务交给自己的父亲。
3、此时进入到 ExtensionClassLoader 范畴了，ExtensionClassLoader也不会立即搜索自己负责的目录，也要把搜索任务交给自己的父亲。
4、此时进入到 BootstrapClassLoader 范畴了，BootstrapClassLoader 也不想立即搜索自己负责的目录，也要把搜索任务交给自己的父亲。
5、此时，BootstrapClassLoader发现自己没有父亲，才会真正搜索自己负责的目录，通过全限定类名，尝试在标准库目录中找到符合要求的 .class文件；
这里如果找到了，接下来就直接进入到打开文件 / 读文件等流程中，如果没找到，要回到下面孩子那里的加载器中，继续尝试加载。
6、此时回到孩子这里（父亲没有找到），ExtensionClassLoader，收到父亲交给它的任务后，尝试在扩展库目录中查找符合要求的 .class文件。
这里如果找到了，接下来就进入打开文件 / 读文件 等流程；如果没找到，就要回到孩子节点那里，继续尝试加载。
7、此时回到孩子这里（父亲没有找到），ApplicationClassLoader 收到父亲交回给它的任务后，自己进行搜索负责的目录（当前项目目录 / 第三方库目录）。
如果找到了，接下来就进入打开文件 / 读文件 等流程；如果没找到也是回到孩子这一辈的类加载器中，继续尝试加载，但由于默认情况下，ApplicationClassLoader 没有孩子了，此时说明，类加载的过程失败了，就会抛出 ClassNotFoundException 异常。
上述的一系列规则，只是JVM自带的类加载器，遵守的默认规则，如果是我们自己写的类加载器，也可以打破上述规则；比如，自己写的类加载器，指定这个加载器就在某个目录中尝试加载，此时如果类加载器的parent不去和已有的这些类加载器连到一起，此时就是独立的，就不涉及双亲委派了。
四、JVM中的垃圾回收算法
1、垃圾回收机制（GC）
在C语言阶段，我们学习了malloc申请内存，和free释放内存，这里涉及到一个很重要的问题：内存泄漏，如果服务器每个请求的申请一块内存，但忘记free掉，就会导致内存泄漏。实际开发中也很容易出现 free 忘记调用，或者因为一些情况，没有执行到，例如中间存在 if -> return走了。
后面就有人提出，释放内存的任务能不能让程序自动负责，而不是程序员手动释放掉呢？Java就搞出来了，它属于早期就支持垃圾回收这样的语言。
引入了垃圾回收机制，就不需要程序员手动释放掉内存了，程序会自动判断，某个内存还是否会被使用，如果内存后续不用了，就会自动释放掉。
后世的各种编程语言，大部分都带有垃圾回收机制（例如：PHP、Python），但C / C++并没有引入，C不引入的原因是C在摆烂，C++不引入的原因是：C++委员会的大佬认为，C++追求的是极致的性能，而引入垃圾回收会影响程序执行的性能，对于追求极致性能这样的观点是相悖的。
这也是垃圾回收不可避免的一重要问题：STW（stop the world）问题，触发垃圾回收的时候，很可能会导致当前程序的其他业务被暂停。
但Java发展了这么多年，GC功能也越来越强大，有办法将STW的时间控制在 1ms 之内。
2、JVM的内存区域哪些需要被GC回收
1、堆：垃圾回收的主战场，因为里面放的是new 出来的对象和非静态成员变量，生命周期是和调不调用类有关的，一般不会伴随程序的整个生命周期，生命周期不明确。
2、栈：不会被GC，因为栈里放的是局部变量，局部变量都是在代码块执行完后自动销毁的，这是栈自己的 特点，和GC没关系，它的生命周期非常明确（也和线程有关）。
3、程序计数器：不需要被GC，这也是因为它的生命周期和线程有关，随线程而生，随线程而亡。
4、元数据区：不需要被GC，原因也和程序计数器一样。
3、哪些内存需要被回收？
这里的垃圾回收与其说是回收垃圾，更准确的说是回收对象，每次垃圾回收的时候，释放的对象（实际单位都是对象）。
如图：
4、垃圾回收的过程
（1）识别出垃圾
怎么识别出垃圾？就是判定这个对象后续是否要继续使用，在Java中，使用对象，一定需要通过引用的方式来使用，如果没有人任何一个引用指向这个对象，就视为是无法被代码使用，就视为垃圾了。
有一个例外不需要引用才能使用对象：匿名对象，不需要引用开使用它，但匿名对象的代码执行完后，就会被当做垃圾释放掉，如图：
如下伪代码：
void func() { Test t = new Test(); t.adshixz(); }
上面通过 new Test()这个操作，就会在堆上申请一段空间，如图：
当这个走出func这个方法后，也就是执行到最下面的大括号 " } "，局部变量 t 就会被释放了，栈上也就没有 Test t 这个引用了，那也就没有引用指向new Test() 这个对象了，如图：
因为没有引用指向new Test() 这个对象了，所以对上的这块内存也要被释放掉。
但如果代码更复杂一点，这里的判定过程就会更麻烦，如下是伪代码：
Test t1 = new Test(); Test t2 = t1; t3 = t2; t4 = t4;
此时就会有多个引用，指向同一个对象，就需要确保这些引用都销毁了，此时 Test() 对象才能被视为垃圾，才要被释放，但如果上面这些引用的生命周期都各不相同，此时情况就不好判断了。
所以，要给出识别垃圾的方案，有2种思路：a、引用计数，b、可达性分析；在Java中，JVM用的是b方案，在PHP和Python中，用的是a方案。下面介绍这两种方案：
a、引用计数
这种思想方法，并没有在JVM中使用，但广泛应用于其他主流语言的垃圾回收机制中（Python、PHP），这里也是要给每个对象安排一个额外的空间（在栈上），空间里记录的是当前这个对象有几个引用（个数）。如下是伪代码：
Test a = new Test(); Test b = a; a = null; b = null;
在代码执行到 Test b = a；这里，new Test() 对象这时候的引用计数就是2，因为有a 和 b 都执行这个对象，如图：
但代码执行到 b = null；时，a 和 b都为null了，此时就没有引用指向new Test() 这个对象了，此时引用计数就会变成 0 ，因为引用计数变为0了，就会把栈上的 new Test() 这个对象当成垃圾，给释放掉，如图：
引用计数就是记录对象被多少个引用指向了，会额外使用一些内存空间来记录这个的个数，当它为0了，就会被视为是垃圾，给释放掉了。
但引用计数有两个很头疼的问题：
1、消耗额外的内存空间
上面也说了，为了记录当前对象被多少个引用指向了，就要开辟额外的内存空间，来记录这个个数，我们假设计数器按2个字节算，如果整个程序的对象很多，那要消耗的内存资源就会很多，还有，假设一个对象有4个字节，但计数器的内存却有它的一半了，这就很难受了。
就像买房，买房花钱买的是100平，但房子的实际面积才70平（有公摊面积的原因，楼层越高，公摊面积就越大，实际得房率就越低），这就和难受了。
2、可能会产生 “循环引用的问题”
如果产生这个问题，此时引用计数就无法正确工作了；如下是伪代码：
Class Test { Test t; } Test a = new Test(); Test b = new Test(); a.t = b; b.t = a; a = null; b = null;
首先new 出来两个对象后，就会在堆上开辟两段内存空间，此时这两个对象各自的计数器为1，当代码执行完a.t = b，b.t = a后，这两个对象的计数器就变为2，如图：
但是，如果代码执行完a = null、b = null，此时就会把a的引用和b的引用给释放掉，此时对象的各自计数器也就会变成1，如图：
因为a、b都为null了，计数器也就会变成1，但此时就出问题了，这两个对象能被使用吗？显然是不能的，现在是既不能使用这两个对象，那能释放掉这两个对象吗？也不能释放掉这两个对象；因为 a.t 和 b.t 这两个引用拿不到了（a和b都是null），要把0x100地址的对象的计数器-1，就要找到0x200的地址（b.t的地址），但不能找到，要把0x200地址的对象的计数器-1，就要找到a.t的地址（0x100），也不能找到。这就是 “循环引用的问题”。也是因为有这个问题，Java就没使用引用计数了。
b、可达性分析（JVM用的是这个）
本质是在用 “时间” 换 “空间”，相比于引用计数，消耗的时间是更多的，但总体来说，是可控的，不会产生类似 “循环引用” 的问题。
在写代码中，会定义很多变量，比如：栈上的局部变量 / 方法区的静态类型的变量 / 常量池中的引用对象......，就可以从这些变量作为起点，出发，尝试去进行 “遍历”，所谓的遍历，就是会沿着这些变量 持有的引用类型成员，进一步往下访问，所有能被访问到的，就不是垃圾，剩下的因为遍历了一遍还是不能访问到的对象，就是垃圾了。
比如下面的伪代码（二叉树）：
class TreeNode { char val; TreeNode left; TreeNode right; } //创建一个二叉树的方法 TreeNode buildTree() { TreeNode a = new TreeNode(); TreeNode b = new TreeNode(); TreeNode c = new TreeNode(); TreeNode d = new TreeNode(); TreeNode e = new TreeNode(); TreeNode f = new TreeNode(); TreeNode g = new TreeNode(); a.left = b; a.right = c; b.left = d; b.right = e; e.left = g; c.right = f; return a; }
二叉树是长这样子的，如图：
虽然这个代码中，虽然只有一个root这样的引用，但是实际上上述 7个节点都是 “可达的”；JVM中存在扫描线程，会不停的对代码中已有的变量进行遍历，经可能多的去访问到对象。
像上面这图，如果加上代码：f = null; ，就会遍历不到 f，这时候就成为f不可达，也就会被视为垃圾了。
不可达 还有 传递性，如果我们加上代码：c = null; ，这时候 c 和 f 都会访问不到，c 和 f 就都会被视为垃圾，因为要访问 f，就必须通过 c 来访问，但 c 已经置为空了，也就访问不到；如果把根节点 a 置为空，那就这整棵二叉树都是不可达的，那整颗二叉树都会被视为垃圾。（就像谍战片的间谍，如果他的线人 gg 了，那他就会和他的组织失去联系）
JVM 自身知道一共有哪些对象，通过可达性分析的遍历，就可以把可达的对象都标记出来，剩下的也就是不可达的了，会被视为垃圾，回收掉。
（2）把标记为垃圾的对象的内存进行释放掉
具体有要咋释放？还有说法，主要的释放方式，有三种：a、标记-清除，b、复制算法，c、标记-整理
a、标记-清除
把标记为垃圾的对象，直接释放掉（最朴素的做法），如图： 
但一般不会使用这个，因为会有内存碎片问题，比较致命。下面是内存碎片的介绍
按照上述被标记的内存，给释放掉后，就会出现很多小的，但是又是离散的空闲空间，可能会导致后续申请内存的失败；比如现在要申请1M的内存（要申请的内存是连续的），这些小的空闲内存总和有2M，但是因为这些小的内存是离散的，不是连续着的，没有1M这么大的连续空间，此时的申请1M内存的操作就会失败。（类似去买房，付首付，你有30w的首付了，但分散在很多张银行卡中，这些银行卡加起来的总和有30w，但此时你也不能付首付，大概就是这个意思）
b、复制算法
核心思想：就是把内存一分为二，当找到了是垃圾的内存，先不把它释放掉，而是把不是垃圾的内存，复制到另一半那里，然后再将原来那一半的内存空间全部给释放掉，如图：
这种算法不会有 内存碎片 的问题，但也会有其他的问题：
1、可用的内存空间变少了，只有原来内存的一半。
2、如果每次要复制的对象比较多（不是垃圾内存），此时复制的开销就会比较大了；而适合用这种算法是垃圾内存比较多，要复制的对象比较少，释放的垃圾内存比较多，适合用这种算法。
c、标记-整理
这个也能解决内存碎片问题，类似顺序表删除中间元素（搬运），把标记了是垃圾的内存，将后面的内存往前覆盖，直到后面的内存都往前搬运完了，再看看最后一次搬运后，这里的内存之后，还有没有内存，有就释放掉（后面的要么就是重复的、要么就是垃圾内存）。如图：
虽然能解决碎片问题，也不会像复制算法一样，需要浪费过多的内存空间，但是也有缺陷：这里搬运的内存开销很大。
上处三个释放内存的操作，各自都有各自的缺陷，因此，JVM没有直接使用上述的方案，而是结合上述思想，搞出了一个 “综合性” 方案，取长补短，这个方案名叫：分代回收
分代回收（JVM使用的）
分代回收，引入了 对象的年龄 的概念，在JVM中有专门的线程负责周期性扫描 / 释放，一个对象如果被线程扫描了一次，可达了（不是垃圾），年龄就 +1（初始年龄相当于是 0）；在JVM中，会把整个堆分为两大部分：新生代（年龄小的对象）、老年代（年龄大的对象），如图：
这里每经过一轮GC，对象的年龄都会++。
（1）当代码中 new 出一个新的对象，这个对象就是在伊甸区的，伊甸区会有很多对象，但有一个经验规律：伊甸区的对象，大部分都是活不过第一轮GC的，这些对象的生命周期都非常短，都是“朝生夕死”的。
（2）第一轮GC扫描后，伊甸区中存活下来的对象，就会通过复制算法，转移到生存区中，后面GC扫描的过程中，不仅要扫描伊甸区的对象，也要扫描生存区的对象，生存区的对象大部分也都会被标记为垃圾，给回收掉的，所以这里也会用复制算法，把被标记为垃圾的保留在原生存区中，把能在生存区继续存活的对象，复制到另一半生存区中，然后再把原生存区中的垃圾给回收掉。
（3）如果生存区的对象，经过了若干次GC扫描后，还存在，JVM就会认为，这个生命周期大概率是很长的，就会把这些对象从生存区拷贝的老年代。
（4）老年代这里，也要被GC扫描，但是扫描的频率就会大大的降低了。因为到了老年代这里，对象如果要g，早就g了，既然没g，那么就说明老年代这里的生命周期是比较长的，就不用频繁的去扫描，意义也不大，会白白浪费时间，所以要降低扫描的频率。
（5）如果对象在老年代寿终正寝（被标记为垃圾了），就会按照 标记-整理 的方式，去释放内存。
