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一.JVM内存区域划分

1.内存区域介绍

1）程序计数器（比较小的空间）

保存了下一条要执行指令的地址。此处的程序计数器不再是CPU的寄存器了，而是内存空间。并且，此处的下一条要执行的指令是Java的字节码（不是CPU的二进制的机器语言）

2）堆

JVM上最大的空间，new出来的对象都在堆上。

3）栈

函数中的局部变量，函数的形参，函数之间的调用关系。

Java虚拟极栈：JVM之上运行的Java代码的方法调用关系

本地方法栈：JVM里头，C++代码的函数调用关系。

4）元数据区（方法区）

Java程序中的指令（指令都包含在类的方法中）

保存了代码中涉及到的类相关的信息

类的static属性

在一个Java进程中，元数据区和堆是只有一份的（同一个进程中的所有线程都是共用一份数据的），程序计数器和栈可能有多份，当一个Java进程中有多个线程的时候，每个线程都有自己的程序计数器和栈

线程就代表一个执行流，每个线程就需要保存自己的程序计数器，每个线程也需要记录自己的调用关系。

2.代码中变量位于的区域

类似于这样一段的代码，需要明确其中变量存在于JVM内存区域的哪个区域。一个变量处于哪个内存区域，这个和变量是不是“内置类型”无关，而是和变量的形态有关。

（1）局部变量：栈

（2）成员变量：堆

（3）静态成员变量：元数据区（方法区）

a，b都是成员变量，均在堆区。

c，d是静态成员变量，均在元数据区（d是new了一个对象，new出来的对象是在堆区，但是把这个堆上的内存地址，赋值给了d引用类型的变量）

e，f都是局部变量，均在栈区（f也是new了一个对象， new出来的对象依旧在堆区，但是把这个堆上的内存地址，赋值给了这个f变量）

二.JVM类加载的过程

运行java进程的时候，JVM就需要读取 .class中的内容，并且执行里面的指令（读取 .class中的内容就是类加载，把类涉及到的字节码从硬盘读取到内存中（元数据区），把这个 .class 中的指令转换成类对象）

加载一个 .class文件，就会对应创建一个类对象，类对象就包含了 .class文件中的各种信息（比如：类名，类的属性和方法，继承的父类，实现的接口等等······）也就说明类对象就是对象的说明书/蓝本

1.类加载的具体步骤

类加载分为五个环节，也可以分为三个环节，无论是那种都是对的，只是一些环节被归为一类而已，此处说的是五个环节

（1）加载

把 .class 文件找到，代码中先见到类的名字，然后进一步的找到对应的 .class 文件（涉及到一系列目录查找的过程）找到后，
打开并读取文件内容

（2）验证

验证读到的 .class 文件的数据是否正确与合法，在Java标准文档中，明确定义了 .class 文件的格式是怎么样的

u4：4个字节的unsigned int，u2：2个字节的unsigned short这是在Java中的，c++则不一定，c++会因为不同的操作系统和编译器导致l同类型的字节数不同。
magic：魔幻数字，在二进制文件中的开头，有若干个字节，设置一个固定的常数进去，通过这个常数，标识当前这个文件是什么样的文件
minor_version和major_version：确保编译和运行时的JDK版本一致
constant_pool_count：常量池
cp_info：其他结构体
access_flags，this_class，super_class：代表这个类是public还是其他的修饰词，后续代表的是类和父类
fields_count ，fields[fields_count]：代表类中的属性
后面的都代表类中的方法

（3）分配内存空间

根据刚才读取到的内容，确定出类对象需要的内存空间，再申请这样的内存空间，并且把内存空间中的所有内容，都初始化为0（Java创建一个内存空间，都会把这个内存空间全部设置为0，后续再进一步的初始化）

类加载执行到第三步时，此时a的值还为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。

直接引用：平时谈到的代码中的引用，里面也保存了变量的地址。

符号引用：字符串常量，已经在 .class 文件中。

“hello”字符串常量，已经在 .class 文件中了，但是没有地址这样的概念，此时地址的概念就是内存的地址，取而代之的是，类似于文件偏移量的概念。

符号引用和直接引用图解：

（5）初始化

针对类对象做最终的初始化操作，执行静态成员的赋值语句。

执行类中的静态代码块，针对父类也要进行加载，在这个环节也会触发对父类的进行加载（执行上述的五个环节）

2.双亲委派模型

（1）双亲委派模型介绍

是类加载五个步骤中，第一个步骤里面的一个环节，给定 类全限定名，找到对应的class文件位置。

类加载器JVM中，已经内置了一些加载器，完成上述的内加载过程

JVM默认有三个类加载器：
不是Java父类子类的继承关系，而是类加载器中有一个parent这样的引用指向父亲

（2）工作流程

图解：

这样做的核心目的：
防止用户自己写的类，把标准库的类给覆盖了
保证标准库的类，被加载的优先级是最高的
扩展库其次，第三方库的优先级最低

三.JVM的垃圾回收机制（GC）

1.需要回收的内存区域

JVM中的内存区域的程序计数器和栈是不需要GC的，因为它们会跟随线程一起销毁。而堆是GC主要回收的地方，堆上new的对象就需要GC判断是否需要回收。元数据区中的类对象的类加载是有上限的，不会出现无限增长的情况，一般不需要GC。

堆的分区

2.回收机制实现

（1）找出“垃圾”

需要针对每个对象进行判定是否为“垃圾”，在Java中使用一个对象，一般都是通过引用来使用的，如果一个对象没有引用指向了，都可以认为这个对象是“垃圾”了。

i.引用计数器

给每个对象分配一个计数器，衡量有多少个引用指向，每次增加一个引用，计数器+1，每次减少一个引用计数器-1，当计数器减为0时，此时对象就是“垃圾”了（多线程的可重入锁也是类似的机制）

图解计数器：
第一步

第二步

第三步

第四步

这样的方案在Java中并没有采纳，而是python和PHP进行了使用

上述方案存在两个问题：
1.消耗了额外的空间（假设Test类就只有一个int成员（4个字节），此时为了引入计数器，最少也要一个short（2个字节），内存就多占用了50%）

2.引入计数器可能导致“循环引用”使得上述的判定出错

第一步

第二步

第三步

这两个对象的引用计数都不是0，不能被释放，但是这两个对象又无法被使用，就造成了类似于死锁的场景。循环引用也是有解的，需要引入更多的机制（环路检测）代价就更大了。

ii.可达性分析（Java采用的方案）

在JVM中，专门搞了一些周期性的线程，扫描代码中所有的对象，判定某个对象是否是“可达”（可以被访问到），对应的，不可达的对象就是垃圾了。

1）JVM有一个所有对象的总名单

2）JVM针对当前教室里面的对象进行点名操作（被点到的，回答到），没有回答到的，就是缺课的（也就是“垃圾”）

通过类似于二叉树的结构，获取到根节点，就可以对整个树进行遍历，遍历就能够得到每一个节点的对象，此时这些对象都是可
达的。如果此时根节点的右节点为null，则为不可达。

类似于这样的树结构，当c不可达时，f也是不可达的，此时的f的可达性依赖于c的可达性。

可达性分析的起点称为GC root，一个程序中，GC root不是只有一个，而是有很多（栈上的局部变量（引用类型），方法去中，静态的成员变量（引用类型），常量池引用指向的对象，这三个GC root）

可达性分析，其实是挺消耗时间的，尤其是你的程序中，对象特别多的情况下，就需要很多时间。

（2）释放“垃圾”的内存空间

1.标记- 清除

直接针对内存中对应的对象进行释放

但是上述的做法会引入“内存碎片问题”，对象的释放是随机的，很可能释放的这个内存不是连续的，虽然把上述的内存释放掉了，但是整体这些空闲内存并没有连在一起，后续申请内存的时候，就无法申请（申请的内存必须是连续的）

2.复制算法

将一块内存分成两块，同一时刻，只使用其中的一半，当释放垃圾之前，把不是垃圾的对象拷贝到另一半中（确保拷贝的对象是连续的）然后把需要释放垃圾的这一半的空间都是释放了

第一步

第二步

但是复制算法的缺点也很明显：内存空间利用率太低了；如果存活下来的对象比较多，复制的成本也比较大。

3.标记-整理

非常类似于，顺序表删除中间的元素。

第一步

第二步

但是像这样进行搬运的开销也不小。

4.分代回收

JVM中真实的解决方案，是把上述几个方案综合一下，取长补短，也就转换成了分代回收

JVM根据对象的年龄（可达性分析，周期性的每次经过一轮扫描，对象仍然存活（不是垃圾）年龄+1），把对象进行区分

新创建的对象存储在伊甸区，根据经验规律，绝大部分的新对象，活不过第一轮GC，留存下来的对象，拷贝到幸存区。

幸存区是两个相等的空间，也是按照复制算法（反复进行多次在幸存者区的两个内存空间中来回进行复制，只要通过GC的考验，就能够存活下来）
新生代中，真正要拷贝的对象不多（经验规律），但是内存利用率低（幸存区中的另一个内存就会被浪费，但是幸存区的内存空间比较小，所以没关系）

如果一个对象在幸存区，已经反复被拷贝多次，也不是垃圾，年龄则会不断增长，达到一定程度后，对象就要被拷贝到老年代了。

根据经验规律，老年代中的对象的生命周期都会比较长，老年代的对象当然也需要进行可达性分析，但是老年代进行GC的频率就会降低，另外，老年代也是通过标记整理（需要整理的次数也不多）

3.其他的垃圾回收器

分代回收时JVM中GC的基本思想方法，具体落实到JVM的实现层上，JVM还提供了多种“垃圾回收器”（对上述的分代回收，做进一步的扩充和具体实现）

重点了解CMS和G1

CMS:

G1: