【JVM】关于JVM的内部原理你到底了解多少（八股文面经知识点）

前言

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目录

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📚️1.认识JVM

📚️2.JVM的内部解析

2.1JVM的内存区域划分

 1.堆区（只有一份）

 2.栈区（可以有N份）

3.程序计数器

4.元数据区

2.2JVM类加载机制

1.加载

2.验证

3.准备

 4.解析

5.初始化

2.3垃圾回收机制（GC）

1.GC的前言

2.回收的内存

3.识别垃圾

引用计数

可达性分析

4. 内存空间的释放

标记清除

复制算法

标记整理

分代回收

📚️3.总结

📚️1.认识JVM

在开始认识JVM的时候，这个本就不是我们工作中所运用得到的，那么我们在开始学习JAVA的时候，我们就听说过JVM,即如下三个：

jdk：Java开发工具包

jre：Java运行时环境

jvm：Java虚拟机

并且还了解过：编译型语言和解释型语言，而这里我们所学习的Java就是一个“半编译型”与“半解释型”的语言；

所以我们这里Java这样实现的目的就是为了跨平台，例如：C++编会编译成二进制的机器指令，而不同的CPU的机器指令是不一样的

具体的实现过程：

首先通过java.c将代码.java文件转化为.class字节码文件，然后再具体的系统平台上执行的时候，通过jvm将上述的字节码文件转化为CPU能够识别的机器语言

总结：所谓的jvm就是在Java编程中实现跨平台，充当中间人翻译官的角色

📚️2.JVM的内部解析

2.1JVM的内存区域划分

这里的jvm其实也是一个进程，那么我们之前在学习了解的计算机的工作原理：【后端开发】JavaEE初阶——计算机是如何工作的？？？-CSDN博客

了解到进程是需要操作系统分配内存空间的，这里支持了Java程序的执行，我们在Java程序中变量分配到的内存资源，其实就是jvm从操作系统内分配到的内存资源；而不同功能会对应分割不同的区域，这就是“内存的区域划分”

这里的内存内部如下：

 1.堆区（只有一份）

即在代码中new出来的对象都是存储在这个区域里，对象中持有的非静态成员变量也是在这个堆里；

堆⾥⾯分为两个区域：新⽣代和⽼⽣代，新⽣代放新建的对象，当经过⼀定 GC 次数之后还存活的对象 会放⼊⽼⽣代。新⽣代还有 3 个区域：⼀个 Endn + 两个 Survivor（S0/S1），后面会将

 2.栈区（可以有N份）

本地方法栈/虚拟机栈，描述了方法的调用的关系，和局部变量

补充：

3.程序计数器

占有比较小的空间，专门又来存储下一条要执行的java程序指令的地址

4.元数据区

元数据区是一个计算机常见的概念，这里主要指定就是辅助性质的，描述性质的属性；

例如：在硬盘上，不仅仅要存储文件的数据信息，还有其他的辅助属性：“文件的大小，文件的存储位置，文件的拥有者，文件的访问权限”统称为元数据；

那么此时就有如下的面试题：

class Test{
    private int n;
    private static int m;
 
}

public static void mian(String[] arg){
    Test t=new Test();
}

此时分析：n,t,m在内存区域的哪里？？？

n：由于n是一个成员变量，那么此时就是在堆上面的

t：是一个引用类型的局部变量，那么此时就是在栈上面

m：由于m是static修饰的变量，叫类对象，那么此时就是在元数据区里

被static修饰的变量叫类属性，修饰的方法叫类方法

非static修饰的变量叫实例属性，非修饰的方法叫实例方法 

所谓的类对象：就是Test.class，在.class文件加载到内存上面的时候，就会将信息用对象来表示，这个对象就是 类对象，包含了很多的属性

2.2JVM类加载机制

类加载：所谓的加载其实指定就是Java进程运行吧.class文件从硬盘读取到内存并进行一系列的校验解析的过程；

这里的加载的步骤主要分为5步

1.加载

 把硬盘上的.class文件找到，打开文件读取里面的内容（是一个二进制的数据）

重点（双亲委派模型）

所谓的双亲委派模型就是描述了如何查找.class文件的策略；

jvm在进行类加载的操作中，有个专门的模块称之为“类加载器”，这里的的类加载器默认是3个；

BootstrapClassLoader（负责查找目标库的目录）

ExtensionClassLoader（负责查找扩展库的目录）

ApplicationClassLoader（负责查找当前项目的代码目录，以及第三方库的目录）

注意：上述的三个类加载器的关系是父子关系，但是这里的父子关系指的就是二叉树的指针关系

具体的工作的流程：

从ApplicationClassLoader入口进入，但是自己不会搜索自己负责的目录，而是会发给ExtensionClassLoader,同上也不会搜索，继续给父亲BootstrapClassLoader，然后由于没有父亲，那么就会开始目标库目录，如果找到了就直接进入打开文件，若没有找到，那么给ExtensionClassLoader开始搜索扩展库目录，同上找到了打开文件，没有继续给儿子；

最后没有找到会继续在孩子这一辈的类加载器搜索，但是默认 ApplicationClassLoader是没有孩子的，那么就会类加载失败，抛出ClassNotFountExecption

具体的模型如下：

优点： 

可以有效的避免自己写的类不小心和标准库的名字重复后，导致标准库的类功能失效

2.验证

当前需要知道保证读到的文件的内容是合法的.class文件内容

具体的验证的依据，在Java虚拟机规范中有明确的格式的说明：

解释：

u4：四字节无符号整数

u2：两个字节无符号整数

magic：魔幻数字，表示当前二进制的文件的格式是那种类型

field_info：另一个结构体

3.准备

 给类对象申请内存的空间，此时申请到的内存空间，里面默认值就全部是0（这个阶段的类对象中的静态成员变量的值就相当于是0）

 4.解析

主要针对的就是类中的字符串常量进行处理

例如：

class Test{
  private String s="Hello";
}

 那么此时的.class文件就会包含这个hello，那么此时的存储的情况就是如下的：

解释：

我们可以知道这里的s变量存储了hello的字符串常量的地址，那么在文件中不存在地址这个概念的，那么这里的红线就是偏移量来代替了地址； 

后面.class文件加载到内存中的时候，就可以直接替换成真实的“hello”的地址了；

5.初始化

就是针对这个类对象完成后续的初始化；还要执行静态代码块的逻辑，或者触发父类的加载

2.3垃圾回收机制（GC）

1.GC的前言

在C语言中，动态管理内存，那么就是molloc申请内存,free释放内存，那么此时申请的内存是跟随整个进程的，这一点对于服务器是非常不友好的，如果申请了内存不释放就会导致内存泄漏的问题，但是free需要手动调用，就会又不确定的因素

所以在java中就引入了自动释放内存的机制就是：GC

但是这里的C语言C++追求的是极致性能，所以就没有引入，因为垃圾回收有一个重要的问题

（stop the world）STW问题

当触发垃圾回收机制的时候，很有可能当前程序的其他的业务逻辑就会暂停；但是现在的STW的时间控制在1ms以内了，也是可以接受的

2.回收的内存

说到垃圾回收机制，我们知道在内存中的区域进行了分区的，那么垃圾回收，回收的是哪一部分的“垃圾”呢？

程序计数器：不需要GC

栈：不需要GC，局部变量在代码执行结束之后会自动的销毁，与垃圾回收没有关系

元数据区：不需要GC，这里只涉及类加载，很少涉及类卸载

堆：这里就是GC的主要战场

在垃圾回收中，跟准确的说法就是“回收对象” 

在堆中，内存的回收具体是如下所示的：

解释：

中间的那块，代表就是一半不回收，一半回收，一般就是不进行回收，叫做“骑强派” 这里包含的空闲的内存就不用管了

3.识别垃圾

所谓的垃圾识别就是判断出当前这个对象是否还继续进行使用，如果没有继续进行使用，那么这个对象就可以进行回收了；

具体举例：

void func{
   Test t=new Test();

   t.func1;
}

那么此时的情况就是如下的：

解释：

那么我们可以知道，局部变量的生命的周期是很短的，那么接下来在执行到“}”的时候，这里就被释放了，没有指向这个地址，那么这个堆里的对象就是垃圾了；

那么此时涉及下面的代码，那么就比较复杂了：

Test t1=new Test();
Test t2=t1;
Test t3=t2;

 那么就引入了一个新的概念，来解决这个问题复杂的情况；

引用计数

这种方法在JVM中并没有进行使用，那么此时主要是用在其他的主流的语言上面的（Python，PHP）

具体方法：

就是给对象安排一个额外的空间，来保存当前这个对象有几个引用

具体实例如下：

Test a=new Test();
Test b=a;
a=null;
b=null;

对应的图示：

解释：

此时我们可以看到，两个引用指向这个对象，那么申请空间的保存的就是2，两个引用，如果栈的局部变量被释放后，或者为“null”那么这个里面的引用就是0，此时就可以进行释放了；

缺点：

问题1：消耗额外的内存空间：如果对每个对象安排一个计数器，如果程序中的对象太多了，那么此时就会造成额外的空间消耗

问题2：引用计数器可能会导致“循环引用的问题”，应用计数就无法进行正常的工作了；

 什么是循环引用，具体代码如下：

class Test{
  Test t;
}

Test a=new Test();
Test B=new Test();

a.t=b;
b.t=a;
a=null;
b=mull;

那么具体的图示就是如下所示的：

解释：

那么此时就会发现，由于a.t=b，这个操作，导致在堆里的new的对象中多出来了一个地址的指向，那么此时就会发现，计数器中的值就是2，如果a,b都为null了，那么就会出现计数器为1，但是没有任何指向对象的引用； 

我们可以知道此时就相当于是死锁的情况了，两个对象不能调用，但是这两个对象却不是垃圾；那么此时就引入了另一个垃圾识别的分析

可达性分析

这里的可达性其实就类似于二叉树的遍历，若其中一个点被断了，那么后面的子结点就是不可达的，那么此时后面的就是垃圾，因该被回收了；

具体的情况图示如下：

解释：

如果此时的结点就都是可达的，若其中b=null，那么包括b和它的子结点都是不可达的，那么就是垃圾，就应该被回收了； 

4. 内存空间的释放

在上述的垃圾的识别标记后，那么此时就应该执行内存空间的释放的操作了，具体的内存释放的操作即如下三种的操作的方式

标记清除

做法：将标记的垃圾直接进行清除（直接释放掉）

具体的图示如下：

那么此时的黑色部分就是垃圾被清除的部分内存；

问题：

此时就造成了内存的碎片问题，因为在申请内存空间的时候是申请的一段连续的内存空间，此时就会造成内存总空间够，但是申请不了，因为内存不是连续的是断层的 

复制算法

做法：将不是垃圾的内存对象复制到另一半内存中，然后将复制前的内存空间连垃圾一起释放掉

那么此时的图示就是如下的：

解释：

那么此时就是将不是垃圾的内存对象复制到另一边，然后将左边区域直接全部释放掉，此时就直接规避了内存的碎片化的问题

 缺点：

缺点显而易见，就是总共可用的内存直接性的下降了，并且复制的对象很多的时候，复制的开销也会变大

标记整理

做法：类似与顺序表中的删除中间元素的操作（搬运），就是将非垃圾的内存对象把垃圾给覆盖掉

具体的实例如下：

解释：

此时就将非垃圾的内存对象给往前面进行搬运，这样就会解决内存碎片化问题，以及内存总空间减少的问题，但是会涉及到内存搬运的开销 

分代回收

做法：就是依据不同类的对象，采取不同的方式

此时就是jvm中有专门负责周期性的扫描，一个对象被扫描一次可达性满足，那么就会年龄+1；jvm机会根据年龄的差异把堆内存的空间分为两个部分，“新生代/老年代” 

具体的图示如下：

解释：

 new出来的新的对象就存储在伊甸区，经过扫描后，大部分的对象都直接GG，然后幸存下来的就在生存区，再次进行伊甸区和生存区的扫描，若在伊甸区就和上面一样，若是生存区，那么就拷贝到另一个区域，反复如此（每次扫描年龄+1）若若干轮的GC任然存在，那么就认为这个对象的生存的周期比较长，那么就会拷贝在老年区域了；（此时的扫描的频率就会下降）若老年区的对象变成垃圾了，那就会通过标记整理的方式进行释放内存；

ok以上就是垃圾回收的具体方法步骤，当然这里还涉及到“垃圾收集器”，小伙伴们可以去了解一下CMS，G1，ZGC这三个

📚️3.总结

💬💬本期小编主要总结了JVM面经的常考题，主要讲解了JVM的内部实现原理包括内存区域的划分，类加载机制，垃圾的回收机制（GC）从什么是垃圾，如何进行识别，到最后的内存对象的释放，都做了比较详细的介绍~~~

🌅🌅🌅~~~~最后希望与诸君共勉，共同进步！！！

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