JVM

1. 类加载过程

1.1 编译

作用：将java源码文件编译成class文件

操作内容：对源代码程序做语法分析、语义分析、注解处理（Lombok）、泛型擦除等

过程

• 词法分析：一个个字节地读取源代码，识别语言关键字，得到Token流
• 语法分析：检查Token流中关键字组合是否符合Java语法规范，形成抽象语法树（结构化的语法表达形式）
• 语义分析：将复杂语法转化为简单语法，如注解处理、泛型擦除、注释等，得到注解抽象语法树
• 字节码生成：根据注解抽象语法树生成符合Java虚拟机规范的字节码

1.2 加载

作用：将class文件加载到JVM中

步骤：

1. 装载

   • 时机：有需要时才进行装载（new或反射），节省内存开销

   • 操作：通过类加载器装载，防止内存中出现多份同样的字节码，使用双亲委派机制

     不会自己尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器，依次向上

   • 规则：本地方法由根加载器（BootstrapLoader）装载，内部实现的扩展类由扩展加载器（ExtClassLoader）装载，程序中的类由系统加载器（AppClassLoader）装载

   • 内存角度：查找并加载类的二进制数据，在堆中创建一个java.lang.Class对象，类相关信息存储在方法区中

2. 连接：对Class对象信息进行验证、为类变量分配内存空间并赋默认值

   • 步骤：

     1. 验证：验证类是否符合Java规范和JVM规范

     2. 准备：为静态变量分配内存，初始化为默认值

     3. 解析：将符号引用转为直接引用

        符号引用：可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可，与虚拟机布局无关

        直接引用：与虚拟机布局相关，已经被加载到内存中，避免不同虚拟机对于相同符号引用翻译出的直接引用不同

3. 初始化

   • 为静态变量赋上正确的初始值

   • 收集类中的静态变量、静态代码块、静态方法、构造方法，从上往下开始执行

1.3 解释

作用：将class字节码文件转换为操作系统识别的指令

字节码解释器

• 非热点代码：直接解释
• 热点代码：编译，交给即时编译器
• 热点探测：方法调用计数器、回边计数器。达到阈值后，触发JIT编译

即时编译器JIT

• 保存热点代码的指令码，下次执行就无需重复解释，直接执行缓存的机器语言

1.4 执行

操作系统执行指令码

1.5 方法执行顺序

1. 父类静态代码块
2. 子类静态代码块
3. 父类代码块
4. 父类空参构造器
5. 子类代码块
6. 子类调用构造器

总结：静态 > 继承关系 > 代码块 > 构造器

默认子类构造器都会调用父类空参构造，如果父类无空参，子类必须说明使用的构造器

代码块早于构造器：提取各个构造器中公用部分，减少冗余

2. 双亲委派机制

2.1 类加载器

BootstrapClassLoader（启动类加载器）

• 最顶层的加载类，由C++实现
• 负责加载%JAVA_HOME%lib目录下的jar包和类，或者被-Xbootclasspath参数指定的路径中的所有类

ExtensionClassLoader（扩展类加载器）

• 由Java实现，继承自java.lang.ClassLoader
• 负责加载%JAVA_HOME%/lib/ext目录下的jar包和类，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径下的jar包

AppClassLoader（应用程序类加载器）

• 由Java实现，继承自java.lang.ClassLoader
• 面向用户的加载器，负责加载当前应用classpath下的所有jar包和类

2.2 双亲委派模型

• 在类加载时，系统首先判断当前类是否被加载过
• 已经被加载过的类会直接返回
• 否则尝试自己加载
  • 加载时，首先将该请求委派给父类加载器的loadClass()处理，即所有请求最终都会传送到顶层的BootstrapClassLoader
  • 当父类加载器无法处理时，才自己加载
  • 当父类加载器为NULL时，使用BootstrapClassLoader作为父类加载器

3. 内存结构（运行时数据区）

3.1 线程共享

3.1.1 堆

目的：

• 存放对象实例，几乎所有对象实例和数组都在此分配内存（逃逸分析）
• 分代便于垃圾回收

新生代（占堆的1/3）

• Eden区（占新生代8/10）：存放新对象

• Survivor区（占新生代2/10）：存放垃圾回收对象

  • from（占新生代1/10）

  • to（占新生代1/10）

老年代（占堆的2/3）

（进入老年代条件）

对象太大

• 新创建就很大的对象
• Survivor区无法存下的对象
• 需要大量连续内存空间的对象：字符串、数组

对象太老

• 经过MinorGC15次的对象
  • HotSpot：15
  • CMS：6
• 动态年龄判断：Survivor区中某个年龄占用内存超过50%时，取这个年龄和原来晋升年龄的较小值

对象头信息

• 存储对象自身运行时数据：哈希码、GC分代年龄、锁状态标识位、线程持有的锁、偏向锁ID、偏向时间戳
• 类型指针：JVM通过指针来确定该对象是哪个类的实例

3.1.2 方法区（逻辑上属于堆）

存放信息

类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等

内存结构

• 类型信息、字段信息、方法表
• JIT代码缓存
• 运行时常量池：字面量、符号引用
• 字符串常量池
• 静态变量

历史演变

实现方式

为什么要把永久代替换为元空间？

3.2 线程私有

3.2.1 虚拟机栈

栈帧（每次方法调用创建）

• 局部变量表
• 操作数栈
• 方法返回值
• 动态链接

3.2.2 本地方法区

本地方法：非Java方法，通常是C

3.2.3 程序计数器

记录各个线程执行的字节码的地址

分支、循环、跳转、异常、线程恢复

4. 垃圾回收机制

4.1 垃圾

垃圾定义

只要对象不再被使用了，就认为该对象是垃圾，对象所占的空间就可以被回收

常见垃圾

• 废弃常量：没有任何对象引用该常量

• 无用类

  • 该类的所有实例对象都被回收

  • 该类的类加载器已被回收

  • 该类对应的Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类

垃圾判断算法

• 引用计数法

  • 对象被引用则加1，引用失败则减1
  • 计数器为0时，说明对象不再被引用，可以被回收
  • 缺点：无法回收循环依赖对象（A依赖B，B依赖A）

• 可达性分析法

  • 从GC Roots开始向下搜索
  • 若没有任何引用相连时，说明对象不可用，可以回收
  • GC Roots是一组必须活跃的引用，从此处出发，程序通过直接或间接引用，能找到可能正在被使用的对象

• GC Roots

  • 虚拟机栈（栈帧的局部变量表）中引用的对象：若此栈帧为栈顶，证明活跃，对象也正被引用，即为GC Roots

  • 本地方法栈中引用的对象

  • 方法区中类静态属性引用的对象

  • 方法区中常量引用的对象

  • 所有被同步锁持有的对象

4.2 垃圾回收算法

标记-清除算法

过程

1. 标记没有被GC Roots引用的对象
2. 直接清除没有被标记的对象

特点：最基础算法、存在问题

• 效率问题：每次需要对整个内存区间进行回收
• 空间问题：产生大量不连续的内存空间，内存碎片

标记-复制算法

过程

1. 将内存分为大小相同的两块，每次使用其中一块
2. 当这块内存使用完成后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把这块使用的空间一次清理掉

特点

• 解决效率问题：每次对内存区间的一半进行回收
• 新的效率问题：对象存活率高时，需要进行较多复制操作，效率降低
• 如果不想浪费50%的内存空间，就需要提供额外空间进行分配担保
  • 一般情况，复制算法将内存分为相等的两块，交替使用
  • 为提高内存利用率，将内存空间按照8：1：1划分为三块，即堆中的Eden、Survivor区。每当需要垃圾回收，先将存活对象复制到保留的Survivor，然后将Eden和之前使用的Survivor一起清理
  • 由于Survivor内存空间较小，极端情况可能不够保存存活下来的对象，因此需要提供一块额外空间进行分配担保

标记-整理算法

过程

1. 标记没有被GC Roots引用的对象
2. 不直接清除没有被标记的对象，而是将所有存活对象向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存

分代收集算法

根据对象存活周期不同，将内存分为几块（新生代、老生代），选择合适的垃圾回收算法

• 新生代：每次收集都有大量对象死去，选择标记-复制算法
• 老年代：对象存活率较高，且没有其他内存进行分配担保，选择标记-整理算法

4.3 MinorGC

触发时间：Eden区空间不足时

扫描对象（HotSpot虚拟机）：年轻代对象

• 从GCRoots出发，通过地址判断对象分代

• CardTable避免全局扫描老年代对象

  • 堆中一小块区域形成卡页

  • 一个卡页中存在对象的跨代引用时，将这个页标记为脏页

4.4 垃圾回收器

Serial收集器

特点

• 单线程：只使用一条垃圾收集线程，且同时暂停其他所有工作线程，直到收集结束
• 简单高效：没有线程交互的开销
• 适用于运行在Client模式下的虚拟机

ParNew收集器

特点

• 多线程并行：使用多条垃圾收集线程，但仍暂停其他工作线程
• 适用于运行在Server模式下的虚拟机

Parallel Scavenge收集器

特点

• 多线程并行：与ParNew类似
• 高吞吐量：提供许多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量（CPU中运行程序时间与总耗时的比值）
• JDK1.8默认收集器

CMS收集器

特点

• 多线程并发：垃圾收集线程和用户线程（基本上）同时工作
• 低停顿，提高用户体验

步骤：标记-清除算法

1. 初始标记：暂停所有其他工作线程，CMS线程记录下直接与GC Roots相连的对象。速度很快
2. 并发标记：同时开启垃圾收集线程和用户线程，用闭包结构标记可达对象（由于用户线程可能会不断更新引用域，所以无法保证可达性分析的实时性。因此也会跟踪记录这些发生引用更新的地方）
3. 重新标记：暂停所有其他工作线程，CMS线程修正并发标记期间引用更新对象的标记。停顿时间稍大于初始标记，远小于并发标记
4. 并发清除：同时开启垃圾收集线程和用户线程，垃圾回收线程对未标记的区域做清扫

缺点

• 对CPU资源敏感
• 无法处理浮动垃圾
• 使用标记-清除算法，导致收集结束时会有大量空间碎片产生

G1收集器

特点

• 并行与并发：充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，缩短StopTheWorld停顿时间
• 分代收集
• 空间整合：从整体上看，使用标记-整理算法；从局部上看，使用标记-复制算法
• 可预测的停顿：低停顿，且建立可预测的停顿时间模型，让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内

步骤

1. 初始标记
2. 并发标记
3. 最终标记
4. 筛选回收

5. 调优