【JVM】JVM自学笔记（类加载子系统、运行时数据区、执行引擎）

引言

主要内容为学习b站视频后的笔记+部分个人总结。原视频链接为：【【JVM极简教程】2小时快速学会JVM，史上用时最短，效率最高！】

总结

类加载子系统

• 类加载子系统是将字节码从磁盘加载到内存中，同时完成验证字节码文件是否正确、初始化变量、为对象的引用地址放入实际的物理地址操作。
• 类加载子系统主要分为两种，一个是引导类加载器，一个是自定义类加载器。
• 代码中使用类加载器是从子类向上找其父类，优先由父类进行加载，如果父类找不到，在层级向下进行加载。
• Tomcat自定义加载器为了保证不同应用中相同名的类能重复加载，实现应用之间的类隔离。

方法区

• 方法区存放着Java所用的方法、常量、类信息。

Java方法栈

• Java方法栈中有多个栈帧，当一个方法使用了其他方法后，根据调用层级生成多个栈帧。栈帧中有局部变量表和操作数栈，两个根据字节码中的操作数填写变量表。一个方法栈对应一个线程。

本地方法栈

• 本地方法栈中为Java定义中所使用的方法，同样是一个方法栈对应一个线程。

程序计数器

• 程序计数器则是记录下一个指令的地址，是JVM中唯一不会发生内存溢出情况的。

堆

• 堆中存储着对象和数组。堆中分为新生代（Eden区、S0、S1区）和老年代。老年代比新生代大，两者为2:1。新对象放入新生代Eden区而后经过垃圾回收（GC）后留存的有用的对象放入S0，再GC后放入S1，重复在S0和S1跳跃，直到第16次还可留存，就放入老年代。当遇到大对象的时候有两种存储方式：1.大对象无法放入S0，先放Eden，GC后放入老年代 2. 过大对象无法放入Eden，直接放入老年代。

垃圾回收器

• 垃圾回收清理没有使用的对象，释放内存空间。
• 找到垃圾对象的方式：引用计数法，可达性分析法。常用的为后者，通过分析GC Root（栈中正在运行的方法中方法参数、局部对象的引用；方法区中保存的属性所使用的对象引用等）能否通过各层到达对象，来判断对象是否为垃圾对象。
• 清除垃圾的方法：标记-清除法、复制法、标记-整理法。
• 垃圾清除方法采用分代收集算法，根据不同的代（老年代/新生代）进行安排不同算法。不同垃圾收集器采用不同的算法用于不同的代中，根据实际情况安排使用。

JVM跨平台

Java文件编译为字节码，字节码解释成机器语言。
跨平台本质是不同系统有不同JVM，不同JVM解释后得到不同的结果。

为什么不直接将Java代码解释为机器语言？（类似Python这样的解释语言）
原因：效率。Java直接编译字节码后再解释，运行效率更高（相当于解释前提前处理）。
其他语言需要跨平台则将语言翻译为字节码后利用不同平台的JVM即可完成。

JVM组成部分

类加载子系统

作用：将class字节码文件从磁盘读取到内存，供给CPU调用。类加载后放入方法区，形成一个class对象。

• 准备阶段：将常量赋初值，例如static int a = 0
• 解析阶段：将class文件中所使用的其他类的符号引用（类名称）转换为直接引用（在方法区中，找到对应的地址）。

初始化对象给static属性赋值，如果代码里面为static int a = 10，则给a赋值10。

类加载器默认三个是BootStrapClassLoader、ExtClassLoader（扩展类加载器）、AppClassLoader（应用类加载器）。三个类加载器的区别在于加载的目录不一样，分别为jre|Lib、jre|Lib|ext、当前应用的classpath所指定的加载器
WebAppClassLoader是Tomcat中继承ClassLoader的加载器，属于严格意义上的自定义类加载器。

双亲委派

源代码中：

概念图：

根据代码可以看到，在逐层向上的调用加载器。
在代码中使用类加载器loadClass方法中会判断，当该类加载器有父类时先调用其父类加载器加载，若父类加载器父类，则使用BootStrapClass进行加载。如果上级父类在其加载的目录中找不到对应的类，则层层返回原子类进行加载。

好处：避免类的重复加载；防止核心API被篡改

之所以能够防止核心API被篡改，原因在于类加载器会使用的目录是核心处，哪怕代码中导入了包名类名组成的路径和核心类一样的非核心类，类加载器都会使用自身目录下的路径一样的类。

总结：为了实现应用之间的类隔离，相同名字的类可以做到不同应用中重复加载。

运行时数据区

蓝色区域内容为多个进程共享。绿色区域：每个线程都有自己的Java方法栈、本地方法栈、程序计数器

程序计数器

程序计数器（PC Register）记录程序下一条指令的地址，是物理寄存器的抽象实现，当我们解释器工作时就是使用它进行记录下一个字节码指令，是程序控制流的指示器（循环、if else、异常处理、线程恢复都依赖它完成），是JVM中唯一一个不会发生内存溢出的（一个线程有一个程序记录器，要存放的数字长度多大，程序计数器就有多大）

虚拟机栈

• 虚拟机栈是线程私有的。
• 每个方法生成一个栈帧，当方法一调用了方法二的时候，为方法二生成一个栈帧。当逐层的顶层（图中方法四）执行完后，当前栈帧出栈。当所有栈帧出栈后，该栈自动销毁，不需要进行垃圾回收。
• 虚拟机栈存在OutOfMemoryError（内存溢出，原因：线程创建时没有足够的内存去创建虚拟机栈）、以及StackOverflowError（栈溢出，原因：方法调用层次太多，生成了太多栈帧），可以通过-Xss来设置虚拟机栈的大小。

局部变量表存放方法所用的变量，表分为一个一个的slot存放量
操作数栈是在执行字节码指令的时候计算的。

以上图片中，先读取操作数10入栈操作数栈，而后出栈将该数存放到局部变量表1。

本地方法栈

本地方法:native method，在Java中定义的方法，但由其他语言（C/C++）实现。

堆

• 数组和对象需要存放在堆区域，执行字节码指令时，会将创建的对象放入堆中。

• 栈帧中存放的是对象的引用地址，当方法执行结束，栈帧消失后，其所使用的对象并不会消失，而是等待JVM后台执行垃圾回收（GC）后才会消失。
  -Xms:ms(memory start)，指定堆的初始化内存大小，等价于-XX:InitialHeapSize
  -Xmx:mx(memory max)，指定堆的最大内存大小，等价于-XX:MaxHeapSize
  一般会把-Xms和-Xmx设置为一样，这样JM就不需要在GC后去修改堆的内存大小了，提高了效率
  默认情况下，初始化内存大小=物理内存大小/64，最大内存大小=物理内存大小/4

• 新生代是新生成的对象，老年代是经过多次垃圾回收后还存活的对象，比例为1:2，即为新生代1/3。调整参数-XX：NewRatio配置两者占比。

• Eden:伊甸园区，新对象都会先放到Eden区(除非对象的大小都超过了Eden区，那么就只能直接进老年代)。

• S0、S1:Survivor0、Survivor1区，也可以叫做from区、to区，用来存放MinorGC(YGC)后存在的对象。

Eden区:S0区:S1区，比例关系为(8:1:1)，可通过-XX:SurvivorRatio来调整。

首先新对象放入Eden区域，而后进行垃圾回收一次后放入S0或S1，进行过的对象会进行计数，之前在S0的放入S1,这样反复在S0和S1跳跃，当第16次回收也没被回收掉则将对象放入老年代中。
有两个特殊情况：

• 放入大对象，Eden放的下，S0和S1大小是一样的，都放不下，垃圾回收执行一次后发现存活，直接放入老年代、
• 放入超大对象，Eden放不下，直接放入老年代。

Young GC/Minor Gc:负责对新生代进行垃圾回收
Old GC/Major GC:负责对老年代进行垃圾回收，目前只有CMS垃圾收集器会单独对老年代进行垃圾收集，其他垃圾收集器基本都是整堆回收的时候对老年代进行垃圾收集
Full GC:整堆回收，也会堆方法区进行垃圾收集

执行引擎

垃圾回收

为什么回收
垃圾是指在JVM中没有任何引用指向它的对象，如果不清理这些垃圾对象，那么它们就一直占用着内存，而不能给其他对象使用，最终垃圾对象越来越多，就会出现OOM（outofMemory）了。

找到垃圾对象的方式
1、引用计数法
每个对象都保存一个引用计数器属性（需要额外的空间来存储引用计数），用户记录对象被引用的次数。
优点:实现简单，计数器为0则表示是垃圾对象缺点
严重问题：无法处理循环引用的问题。当AB两个对象互相引用且两者都没有其他对象引用它们，即使两者是垃圾对象也无法被删除。

2、可达性分析法

以GC Roots作为起始点，然后一层一层找到所引用的对象，被找到的对象就是存活对象，那么其他不可达的对象就是垃圾对象。
GC Roots是一组引用，包括：

• 线程中虚拟机栈、本地方法栈中正在执行的方法中方法参数、局部变量所对应的对象引用
• 方法区中保存的类信息中静态属性、常量属性所对应的对象引用
• 等等

如何清除垃圾对象

1、标记-清除法
针对某块内存空间（新生代、老年代），当内存空间不够用的时候就会STW，暂停用户线程，执行算法进行垃圾回收。

算法两个阶段，第一标记阶段使用可达性分析法，可达的对象在对象头上进行标记，第二阶段则在堆内存空间中进行线性遍历，未发现对象头标记则进行清理。

缺点：造成过多碎片空间；效率不高

概念图：
结果后产生很多空闲空间（灰色），但分不不均匀，所以缺点为造成过多碎片空间

2、复制算法

将内存空间分为两块，直接遍历有对象的一块A，当发现可达对象直接放入B,遍历完后清除A所有对象，后续进行同样的垃圾回收流程。

优点：避免内存碎片；效率高
缺点：当A中可达对象多，复制过去的消耗时间也多；需要内存大，始终有一半空闲内存；复制后内存地址变化导致需要时间去修改虚拟机栈中的引用地址。

对比标记清除法：

• 标记清除法遍历了两次对象，第一次标记，第二次清除，复制法只有一次。
• 复制法只有一个线程，标记清除则有两个线程去执行。

3、标记整理算法

第一阶段进行标记可达对象，第二阶段将可达对象移动到内存另一端，第三段清理空间。

缺点：效率比另外两个更低；需要修改栈中使用的对象的引用地址。

实际使用的垃圾清除是哪种方式？
默认所有的垃圾收集器采用分代收集算法，因为不同对象有不同存活时间，所以有不同的垃圾回收算法。

将堆分为新生代和老年代，新生代存活时间短，利用复制算法更快清除，适用垃圾对象多的情况；老年代则标记清除法或者标记整理法，CMS垃圾收集器采用的就是标记-清除算法，Serial Old垃圾收集器采用的就是标记-整理算法。

比如一次复制算法，有多个线程进行将保留对象复制到其他空间，将用户工作线程暂停后运行多个GC线程。

CMS GC （老年代使用，标记清除算法）

CMS整个垃圾收集过程更长了，但是STW的时间变短了，而且在垃圾收集过程中大部时间用户线程也还在执行，所以用户体验更好了，但是吞吐量更低了(单位时间内执行的用户线程更少了)

初始标记：通过GC root找到直接可达对象（一层）
并发标记：GC线程基于刚找到的可达对象，找到所有可达对象，涉及三色标记
重新标记：解决上一步可能发生的误差，进行重新标记
并发重置：重置之前的标记，方便下一次进行垃圾回收

如果在并发标记、并发清理过程中，由于用户线程同时在执行，如果有新对象要进入老年代，但是空间又不够（原因：垃圾回收器工作速度比用户创造垃圾的速度快），那么就会导致"concurrent mode failure”，此时就会利用Serial Old（暂停所有用户线程）来做一次垃圾收集，就会做一次全局的STW。

在并发清理过程中，可能产生新的垃圾（原因：用户线程还在执行），这些就是“浮动垃圾”，只能等到下一次GC时来清理
由于采用的时标记-清除，所以会产生内存碎片，可以通过参数-XX:+UseCMSCompactAtFulCollection可以让JVM在执行完标记-清除后再做一次整理，也可以通过-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction来指定多少次GC后来做整理，默认是0，表示每次GC后都整理。

G1（Garbage-First）

将新生代、老年代在物理上分为一个个方块region，一个堆2048个region，每个region大小为堆内存除以2048。

还是分了Eden区、S0区、S1区、老年代，只不过空间可以是不连续的了Humongous区是专门用来存放大对象的(如果一个对象大小超过了一个region的50%，那么就是大对象)

筛选回收阶段：通过算法计算垃圾对象多的区域，优先清除这些区域。可以设置回收所花的时间，可能会在时间内没有清理完成，但对用户体验有帮助。可以通过-XX:MaxGCPauseMiis来指定GC的STW停顿的时间，所以可能并不会回收掉所有垃圾对象，默认200ms
采用的复制算法，不会产生碎片(会把某个region里的可达对象复制到另外空闲region区域，比如相邻的)，回收的是整个region