对JVM知识做一个系统全面的总结。

前言

我理解JVM应该属于Java高阶的知识，之前是通过博客学习这块知识，后来对照着《深入理解Java虚拟机》书籍把重点知识又过了一遍。经过大半个月的学习，我给出我学习的感受。

我感觉其实通过博客学习这块知识其实就够了，因为博客中的知识直击JVM的靶心，基本都是干货，但是对于一些实际的场景用例，博客给的示例不多，这个是通过博客学习唯一的缺点。

通过书籍学习JVM知识，真的感觉这本书太厚了，不建议新人学习，因为这本书也就前5章的内容比较干货，后面的大部分知识可以直接跳过，或者作为选学的知识，比如你学习书籍中的“虚拟机字节码执行引擎”、“前端编译与优化”等章节，我感觉这些知识完全没有学习的必要，都是些“八八股文”，完全可以等需要的时候再学。但是通过书籍可以作为博客学习的补充，因为里面很多的实战示例还是非常不错的，然后有些重点知识，书中也讲解的非常详细，比如“垃圾收集器”。

那下面我们就把这个系列学习的知识总结一下吧~~

类的加载过程

加载过程介绍

如果 JVM 想要执行这个 .class 文件，我们需要将其装进一个类加载器 中，它就像一个搬运工一样，会把所有的 .class 文件全部搬进JVM里面来。

重点知识：

• Java文件经过编译后变成 .class 字节码文件
• 字节码文件通过类加载器被搬运到 JVM 虚拟机中
• 虚拟机主要的5大块：方法区，堆都为线程共享区域，有线程安全问题，栈和本地方法栈和计数器都是独享区域，不存在线程安全问题，而 JVM 的调优主要就是围绕堆，栈两大块进行。

类加载流程

类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

• 加载，查找并加载类的二进制数据，在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象
• 连接，连接又包含三块内容：验证、准备、初始化。1）验证，文件格式、元数据、字节码、符号引用验证；2）准备，为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；3）解析，把类中的符号引用转换为直接引用
• 初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值
• 使用，new出对象程序中使用
• 卸载，执行垃圾回收

类加载器

加载一个Class类的顺序也是有优先级的，类加载器从最底层开始往上的顺序是这样的：

• BootStrap ClassLoader：rt.jar
• Extention ClassLoader: 加载扩展的jar包
• App ClassLoader：指定的classpath下面的jar包
• Custom ClassLoader：自定义的类加载器

垃圾回收

如何确定对象已死

通常，判断一个对象是否被销毁有两种方法：

• 引用计数算法：为对象添加一个引用计数器，每当对象在一个地方被引用，则该计数器加1；每当对象引用失效时，计数器减1。但计数器为0的时候，就表白该对象没有被引用。
• 可达性分析算法：通过一系列被称之为“GC Roots”的根节点开始，沿着引用链进行搜索，凡是在引用链上的对象都不会被回收。

就像上图的那样，绿色部分的对象都在GC Roots的引用链上，就不会被垃圾回收器回收，灰色部分的对象没有在引用链上，自然就被判定为可回收对象。

垃圾回收算法

标记--清除算法

见名知义，标记--清除算法就是对无效的对象进行标记，然后清除。

复制算法

标记--复制算法就是把Java堆分成两块，每次垃圾回收时只使用其中一块，然后把存活的对象全部移动到另一块区域。

标记--整理算法

标记--整理算法算是一种折中的垃圾收集算法，在对象标记的过程，和前面两个执行的是一样步骤。但是，进行标记之后，存活的对象会移动到堆的一端，然后直接清理存活对象以外的区域就可以了。这样，既避免了内存碎片，也不存在堆空间浪费的说法了。但是，每次进行垃圾回收的时候，都要暂停所有的用户线程，特别是对老年代的对象回收，则需要更长的回收时间，这对用户体验是非常不好的。

垃圾收集器

Serial收集器

Serial收集器是最基础、历史最悠久的收集器，是一个单线程工作的收集器，使用 Serial收集器，无论是进行 Minor gc 还是 Full GC ，清理堆空间时，所有的应用线程都会被暂停。

ParNew收集器

ParNew 收集器实质上是 Serial 收集器的多线程并行版本，除了同时使用多条线程进行垃圾收集之外，其余的行为包括 Serial 收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与 Serial 收集器完全一致。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器也是一款新生代收集器，基于标记——复制算法实现，能够并行收集的多线程收集器和 ParNew 非常相似。

Parallel Scavenge 收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量就是处理器用于运行用户代码的时间与处理器总消耗时间的比值。如果虚拟机完成某个任务，用户代码加上垃圾收集总共耗费了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

Serial Old收集器

Serial Old是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。

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多线程并发收集，基于标记-整理算法实现。

CMS收集器

CMS 收集器设计的初衷是为了消除 Parallel 收集器和 Serial 收集器 Full gc 周期中的长时间停顿。CMS收集器在 Minor gc 时会暂停所有的应用线程，并以多线程的方式进行垃圾回收。

垃圾收集器对比

运行时数据区域

什么是运行时数据区域？

Java程序在运行时，会为JVM单独划出一块内存区域，而这块内存区域又可以再次划分出一块运行时数据区，运行时数据区域大致可以分为五个部分：

Java堆（Heap）

栈管运行，堆管存储。则虚拟机栈负责运行代码，而虚拟机堆负责存储数据。

Java堆区具有下面几个特点：

• 存储的是我们new来的对象，不存放基本类型和对象引用。
• 由于创建了大量的对象，垃圾回收器主要工作在这块区域。
• 线程共享区域，因此是线程不安全的。
• 能够发生OutOfMemoryError。

其实，Java堆区还可以划分为新生代和老年代，新生代又可以进一步划分为Eden区、Survivor 1区、Survivor 2区。

虚拟机栈（JVM Stacks）

Java虚拟机栈也是一块被开发者重点关注的地方，同样，先把干货放上来：

• Java虚拟机栈是线程私有的，每一个线程都有独享一个虚拟机栈，它的生命周期与线程相同。
• 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
• 存放基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）以及对象的引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。
• 这个区域可能有两种异常：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area）

方法区也是一块被重点关注的区域，主要特点如下：

• 线程共享区域，因此这是线程不安全的区域。
• 它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
• 当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

程序计数器（Program Counter Register）

它的作用就是记录当前线程所执行的位置。 这样，当线程重新获得CPU的执行权的时候，就直接从记录的位置开始执行，分支、循环、跳转、异常处理也都依赖这个程序计数器来完成。

JVM堆内存

堆内存结构

Java堆区可以划分为新生代和老年代，新生代又可以进一步划分为Eden区、Survivor 1区、Survivor 2区。具体比例参数的话，可以看一下这张图。

GC类型

• Minor GC/Young GC：针对新生代的垃圾收集；
• Major GC/Old GC：针对老年代的垃圾收集。
• Full GC：针对整个Java堆以及方法区的垃圾收集。

Minor GC工作原理

通常情况下，初次被创建的对象存放在新生代的Eden区，当第一次触发Minor GC，Eden区存活的对象被转移到Survivor区的某一块区域。以后再次触发Minor GC的时候，Eden区的对象连同一块Survivor区的对象一起，被转移到了另一块Survivor区。可以看到，这两块Survivor区我们每一次只使用其中的一块，这样也仅仅是浪费了一块Survivor区。

Full GC工作原理

老年代是存储长期存活的对象的，占满时就会触发我们最常听说的Full GC，期间会停止所有线程等待GC的完成。所以对于响应要求高的应用应该尽量去减少发生Full GC从而避免响应超时的问题。