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java 虚拟机 ​

一、运行时数据区域 ​

程序计数器 ​

记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址（如果正在执行的是本地方法则为空）。

Java 虚拟机栈 ​

每个 Java 方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

可以通过 -Xss 这个虚拟机参数来指定每个线程的 Java 虚拟机栈内存大小，在 JDK 1.4 中默认为 256K，而在 JDK 1.5+ 默认为 1M：

java -Xss2M HackTheJava

该区域可能抛出以下异常：

当线程请求的栈深度超过最大值，会抛出 StackOverflowError 异常； 栈进行动态扩展时如果无法申请到足够内存，会抛出 OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈 ​

本地方法栈与 Java 虚拟机栈类似，它们之间的区别只不过是本地方法栈为本地方法服务。

本地方法一般是用其它语言（C、C++ 或汇编语言等）编写的，并且被编译为基于本机硬件和操作系统的程序，对待这些方法需要特别处理。

堆 ​

所有对象都在这里分配内存，是垃圾收集的主要区域（"GC 堆"）。

现代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，其主要的思想是针对不同类型的对象采取不同的垃圾回收算法。可以将堆分成两块：

  • 新生代（Young Generation）
  • 老年代（Old Generation）

堆不需要连续内存，并且可以动态增加其内存，增加失败会抛出 OutOfMemoryError 异常。

可以通过 -Xms 和 -Xmx 这两个虚拟机参数来指定一个程序的堆内存大小，第一个参数设置初始值，第二个参数设置最大值。

java -Xms1M -Xmx2M HackTheJava

方法区 ​

用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

和堆一样不需要连续的内存，并且可以动态扩展，动态扩展失败一样会抛出 OutOfMemoryError 异常。

对这块区域进行垃圾回收的主要目标是对常量池的回收和对类的卸载，但是一般比较难实现。

HotSpot 虚拟机把它当成永久代来进行垃圾回收。但很难确定永久代的大小，因为它受到很多因素影响，并且每次 Full GC 之后永久代的大小都会改变，所以经常会抛出 OutOfMemoryError 异常。为了更容易管理方法区，从 JDK 1.8 开始，移除永久代，并把方法区移至元空间，它位于本地内存中，而不是虚拟机内存中。

方法区是一个 JVM 规范，永久代与元空间都是其一种实现方式。在 JDK 1.8 之后，原来永久代的数据被分到了堆和元空间中。元空间存储类的元信息，静态变量和常量池等放入堆中。

运行时常量池 ​

运行时常量池是方法区的一部分。

Class 文件中的常量池（编译器生成的字面量和符号引用）会在类加载后被放入这个区域。

除了在编译期生成的常量，还允许动态生成，例如 String 类的 intern()。

直接内存 ​

在 JDK 1.4 中新引入了 NIO 类，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过 Java 堆里的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在堆内存和堆外内存来回拷贝数据

二、垃圾收集 ​

垃圾收集主要是针对堆和方法区进行。

程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域属于线程私有的，只存在于线程的生命周期内，线程结束之后就会消失，因此不需要对这三个区域进行垃圾回收。

判断一个对象是否可被回收 ​

  1. 引用计数算法
  2. 可达性分析算法
  3. 方法区的回收
  4. finalize()

引用类型 ​

无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象是否可达，判定对象是否可被回收都与引用有关。

Java 提供了四种强度不同的引用类型:

  1. 强引用
  2. 软引用
  3. 弱引用
  4. 虚引用

垃圾收集算法 ​

  1. 标记 - 清除

  2. 标记 - 整理

  3. 复制

  4. 分代收集

    现在的商业虚拟机采用分代收集算法，它根据对象存活周期将内存划分为几块，不同块采用适当的收集算法。

    一般将堆分为新生代和老年代。

    新生代使用：复制算法 老年代使用：标记 - 清除 或者 标记 - 整理 算法

垃圾收集器 ​

  • 单线程与多线程：单线程指的是垃圾收集器只使用一个线程，而多线程使用多个线程；
  • 串行与并行：串行指的是垃圾收集器与用户程序交替执行，这意味着在执行垃圾收集的时候需要停顿用户程序；并行指的是垃圾收集器和用户- 程序同时执行。除了 CMS 和 G1 之外，其它垃圾收集器都是以串行的方式执行
  1. Serial 收集器 单线程
  2. ParNew 收集器 Serial 收集器的多线程版本 除了 Serial 收集器，只有它能与 CMS 收集器配合使用。
  3. Parallel Scavenge 收集器 多线程收集器 吞吐量优先
  4. Serial Old 收集器 Serial 收集器的老年代版本
  5. Parallel Old 收集器 是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本
  6. CMS 收集器 CMS（Concurrent Mark Sweep），Mark Sweep 指的是标记 - 清除算法 吞吐量低
  7. G1 收集器 G1（Garbage-First）性能好 新生代和老年代一起回收

三、内存分配与回收策略 ​

Minor GC 和 Full GC ​

  • Minor GC：回收新生代，因为新生代对象存活时间很短，因此 Minor GC 会频繁执行，执行的速度一般也会比较快。
  • Full GC：回收老年代和新生代，老年代对象其存活时间长，因此 Full GC 很少执行，执行速度会比 Minor GC 慢很多。

内存分配策略 ​

  1. 对象优先在 Eden 分配 大多数情况下，对象在新生代 Eden 上分配，当 Eden 空间不够时，发起 Minor GC。
  2. 大对象直接进入老年代 -XX:PretenureSizeThreshold，大于此值的对象直接在老年代分配
  3. 长期存活的对象进入老年代 -XX:MaxTenuringThreshold 用来定义年龄的阈值
  4. 动态对象年龄判定
  5. 空间分配担保

Full GC 的触发条件 ​

对于 Minor GC，其触发条件非常简单，当 Eden 空间满时，就将触发一次 Minor GC

而 Full GC 则相对复杂，有以下条件：

  1. 调用 System.gc() 只是建议虚拟机执行 Full GC，但是虚拟机不一定真正去执行。不建议使用这种方式，而是让虚拟机管理内存
  2. 老年代空间不足
  3. 空间分配担保失败
  4. JDK 1.7 及以前的永久代空间不足
  5. Concurrent Mode Failure

四、类加载机制 ​

类是在运行期间第一次使用时动态加载的，而不是一次性加载所有类。因为如果一次性加载，那么会占用很多的内存。

类的生命周期 ​

包括以下 7 个阶段：

  • 加载（Loading）
  • 验证（Verification）
  • 准备（Preparation）
  • 解析（Resolution）
  • 初始化（Initialization）
  • 使用（Using）
  • 卸载（Unloading）

类加载过程 ​

包含了加载、验证、准备、解析和初始化这 5 个阶段

  1. 加载

    加载过程完成以下三件事：

    • 通过类的完全限定名称获取定义该类的二进制字节流
    • 将该字节流表示的静态存储结构转换为方法区的运行时存储结构
    • 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象，作为方法区中该类各种数据的访问入口

  2. 验证

  3. 准备

    类变量是被 static 修饰的变量，准备阶段为类变量分配内存并设置初始值，使用的是方法区的内存

  4. 解析

    将常量池的符号引用替换为直接引用的过程

  5. 初始化

    初始化阶段才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码。初始化阶段是虚拟机执行类构造器方法的过程

类初始化时机 ​

  1. 主动引用

    • new、getstatic、putstatic、invokestatic
    • java.lang.reflect
    • 父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化
    • 虚拟机会先初始化主类
    • java.lang.invoke.MethodHandle

  2. 被动引用

  • 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。
  • 通过数组定义来引用类
  • 使用常量，定义常量的类的初始化

类与类加载器 ​

两个类相等，需要类本身相等，并且使用同一个类加载器进行加载。这是因为每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。

这里的相等，包括类的 Class 对象的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回结果为 true，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定结果为 true。

类加载器分类 ​

从 Java 虚拟机的角度来讲，只存在以下两种不同的类加载器：

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），使用 C++ 实现，是虚拟机自身的一部分；
  • 所有其它类的加载器，使用 Java 实现，独立于虚拟机，继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

从 Java 开发人员的角度看，类加载器可以划分得更细致一些：

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）

双亲委派模型 ​

应用程序是由三种类加载器互相配合从而实现类加载，除此之外还可以加入自己定义的类加载器

  1. 工作过程

    一个类加载器首先将类加载请求转发到父类加载器，只有当父类加载器无法完成时才尝试自己加载

  2. 好处

    使得 Java 类随着它的类加载器一起具有一种带有优先级的层次关系，从而使得基础类得到统一

  3. 实现

    先检查类是否已经加载过，如果没有则让父类加载器去加载。当父类加载器加载失败时抛出 ClassNotFoundException，此时尝试自己去加载。

自定义类加载器实现 ​

java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 实现了双亲委派模型的逻辑，自定义类加载器一般不去重写它，重写 findClass 方法。

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