【进阶】JVM篇
为什么学习jvm
1、面试的需要
学过java的程序员对jvm应该不陌生，程序员为什么要学习jvm呢？其实不懂jvm也可以照样写出优质的代码，但是不懂jvm会被大厂的面试官虐的体无完肤。
2、高级程序员需要了解
jvm作用
jvm负责把编译后的字节码转换为机器码
jvm内部构造
1.类加载部分：负责把硬盘上字节码加载到内存中（运行时数据区）
2.运行时数据区：负责存储运行时产生的各种数据 类信息，对象信息，方法信息……
3.执行引擎：负责将字节码转为机器码
4.本地方法接口：调用本地方法， Object类中的 hashCode()--拿对象的内存地址
public native int hashCode();
private native int read0() throw IOEception;
垃圾回收部分
jvm类加载系统
1.类加载子系统概述
类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载class文件，类加载系统只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由执行引擎决定。
加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间
类加载系统，负责将硬盘上的字节码文件加载到jvm中，生成类的Class对象，存储在方法区。
类就是一个模板
2、类加载过程
1.加载
以二进制字符流进行读取
在内存中为类生成Class对象
2.链接
·验证：检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致；
·准备 为类的静态属性进行初始化的赋值
准备阶段 先赋值为默认0 在初始化阶段赋值为‘123’
·解析 把字节码的符号引用 替换成 内存中的直接引用地址
3.初始化
初始化阶段主要是为类中的静态成员进行赋值
因为类加载执行完初始化阶段，才说明类加载完成了。
类在哪些情况下会被加载
调用类中静态成员（变量，方法）
new关键字调用
执行该类的main()
反射加载类 Class class.forName("地址");
子类被加载
类在以下两种情况下，是不会被加载的
1.类作为数组类型 Demo[] demo = new Demo[10]; //new的数组对象 不是Demo对象 2.只是访问类中的静态的常量 System.out.println(Demo.P);// 优化 不加载整个类了，只获取到用到的静态常量
类加载器
类加载器就是实际负责读取类的功能
类加载器分类：
站在jvm的角度上，分为
引导类加载器（不是用java写的，是用c/c++），负责读取加载java中底层系统库
java写的类加载器（用来读取我们写的应用程序）
在细分类加载器
1.启动类加载器
C/C++语言实现，负载加载java核心类库（系统库 java.lang）
2.扩展类类加载器
用java语言实现的，继承ClassLoader类，加载jre下面扩展类的 jre/lib/ext 子目录
3.应用程序类加载器
用java语言实现的,继承ClassLoader类,用于加载用户自己定义的类(开发的应用程序).
双亲委派机制
当加载一个类时,总是先让他的父级类加载器去加载,确保把系统中类优先加载,直到父类加载器找不到类时,再逐级向下,让子类加载器加载,
如果子级也找不到,最终抛出类找不到异常
为什么这样做?
防止我们自己写的类替换了系统中的类
如何打破双亲委派机制
自定义类加载器
MyClassLoader extends ClassLoader //重写findClass()
运行时数据区
存储运行时产生的各种数据
程序计数器
程序计数器用来记录每一个线程执行的指令位置,
速度是最快的,是线程私有的(每一个线程都会有一个程序计数器)
此区域不会出现内存溢出,也不会垃圾回收
虚拟机栈
栈是运行的,解决程序方法执行,在虚拟机栈中，运行我们java自己写的方法
调用方法,方法入栈,运行结束出栈(先进后出 栈顶的方法,称为当前栈帧)
一个方法就是一个栈帧,在栈帧中存储局部变量,运行结果……
虚拟机栈也是线程私有的，线程之间互相隔离
栈区域不存在垃圾回收，但是会存在内存溢出问题
栈帧中存储什么内容?
局部变量表 int a=10;
操作数栈(计算过程) int c = a+b;
方法返回地址
本地方法栈
本地方法栈是用来执行调用的本地方法的.
是线程私有的,不会存在垃圾回收,
会出现内存溢出问题
堆
堆概述
堆的作用是用来存储java语言产生的对象的.
是运行时数据区中最大的一块内存空间,空间大小可以设置
堆空间是所有线程共享的.
对空间是垃圾回收的重点区域,堆中没有被使用到的垃圾对象,会被垃圾回收器回收调用
堆空间区域划分
堆分为
新生区(新生代 年轻代)
伊甸园区
幸存者0区
幸存者1区
老年区(老年代)
为什么分区(代)?
可以将不同生命周期的对象存储在不同的区域,针对不同的区域采用不同的垃圾回收算法,使得垃圾回收策略更加优化.
对象创建存储过程
新创建的对象都存储在伊甸园区
当垃圾回收时,将还被使用的对象,转移至某一个幸存者区,将伊甸园区进行清除,
当下一次垃圾回收时,将伊甸园区存储的对象与当前正在使用的幸存者区存活的对象,转移至另一个幸存者区(每一次会空闲一个幸存者区)
当一个对象经历过15次垃圾回收后,仍然存活的话,那么就把该对象移动到老年代,
老年代就比较少的进行垃圾回收,在老年代空间不足时,对老年代会进行垃圾回收,
当回收后,内存仍然不足时,会触发FULL GC(整堆收集 应尽量避免)
当整堆收集后仍然不够使用,那么就会出现内存溢出错误 --OOM
jvm调优
可以根据程序具体的使用场景，对运行时数据区的各种空间大小调整 例如堆，方法区
对垃圾回收器进行选择（根据使用的场景选择单线程的或者是多线程的）
方法区
方法区主要用来存储加载的类 信息
方法区的大小也是可以设置的
方法区也会进行垃圾回收，方法区也可能会出现内存溢出的问题
方法区的垃圾回收
方法区的垃圾回收，是对类信息进行回收的
类信息如果不再被使用，类信息也可以被卸载
卸载条件
该类所产生的对象都不存在了
该类的Class对象，也不再被使用了
加载该类的类加载器也被回收了.
本地方法接口
是虚拟机中专门用来调用本地方法的接口
什么是本地方法
在java中被native关键字修饰的方法，没有方法体，不是用java语言实现的方法，用C/C++在操作系统底层实现的方法
Object hashCode() 获取对象内存地址 涉及到读取内存
IO中读文件（输入文件 操作硬盘） read0();
启动线程 native void start0(); 启动线程 就是把这个线程注册到操作系统
java中为什么要调用本地方法
因为java属于应用层语言，有时候，需要对硬件系统资源进行调用
此时就不方便，再一个系统资源不允许应用层程序直接调用
那么就需要通过本地方法 调用操作硬件资源
执行引擎
1.执行引擎是java虚拟机核心的组成部分之一
主要作用是将加载到虚拟机中的字节码，再次转换为机器码（字节码并不是系统能够直接执行的机器码）
执行引擎可以通过解释/编译两种方式 实现将字节码转为机器码
java程序执行过程中涉及两次编译
第一次 .java（源代码 通过jdk javac 调用编译器） -->.class文件 称为前端编译
第二次 通过执行引擎 将字节码 编译为 机器码 称为后端编译
将字节码转为机器码有两种方式：
解释器（解释执行）：对字节码逐行进行解释翻译，重复性的代码，也是每次都要解释执行，效率低
编译器（编译执行）：对某一段字节码进行整体编译，然后存储起来，以后使用时不再需要编译了，效率高。
编译器会针对执行过程中的热点代码进行编译，并缓存起来
为什么要使用解释执行和编译执行并存这样的设计？
程序开始运行时，解释器可以立即发挥作用，投入使用
而编译器虽然执行效果高，但是前期需要对热点代码进行跟踪和编译，需要消耗时间
垃圾回收
什么是垃圾对象？
垃圾是指在运行程序中没有任何引用指向的对象
就是一个对象 不再被任何的引用所指向。
没有任何引用所指向的对象
垃圾对象如果不清理，新的对象可能没有足够的空间，可能会导致内存的溢出问题。
垃圾回收发展
早期c/c++这类语言，内存管理都是手动的，使用时申请，使用完后手动释放
优点：对内存管理更加精确，效率高
缺点：增加程序员的负担，控制不好，容易出事（忘了释放，误操作内存空间）
后来发展为自动回收：
java，，C#…都采用自动垃圾回收
优点：解放了程序员
缺点：会占用一些内存空间(垃圾不是出现后立即回收的)，降低了程序员管理内存的能力
哪些区域会出现垃圾回收？
堆 对象 频繁回收年轻代 较少回收老年代
方法区 类信息卸载 整堆收集时，会进行回收 FULL GC
内存溢出与内存泄漏
内存溢出：内存不够用了
内存泄漏：系统中那些用不到的，但是又不能回收的对象
案例：单例对象
数据库连接对象，IO流，socket 这些提供close()类
用完之后,如果没有关闭, 垃圾回收器是不能主动回收这些对象的.
内存泄漏,虽然不能直接触发内存溢出,但是长期有对象不能被回收,也是导致内存泄漏的原因之一.
Stop the world
垃圾回收时。会经历两个阶段：一是标记阶段 二是回收阶段。
在标记和回收时，需要我们的用户线程暂停，不暂停的话 在标记和回收时可能会出现错标和漏标
垃圾回收阶段算法
1.垃圾标记阶段
将虚拟机中不再被任何引用指向的对象标记出来，在垃圾回收阶段，就会将标记出来对象进行回收
垃圾标记阶段相关算法
引用计数算法(存在缺陷的,没有被虚拟机所使用的)
设计思想: 在对象中维护一个整数计数器变量 当有引用指向对象时,计数器就加一,相反就减一(引用断开)
优点: 设计实现简单,容易分辨对象是否是垃圾对象
缺点:需要维护一个变量存储引用数量,频繁修改引用计数器变量,占空间,还耗时
最重要的是,无法解决循环引用问题
可达性分析算法(根搜索法)
设计思想：从一些可以被称为GCRoots的对象开始向下查找，只要某一个对象与GCRoots对象有联系的，就可以判定对象是被使用的，与跟对象引用链没有任何关系的对象，可以视为垃圾对象
哪些对象可以作为GCRoots(根对象)？
1.虚拟机栈中（被调用的方法）所使用的对象
2.类中的静态属性
3.虚拟机中使用的系统类对象
4.所有被同步锁synchronized持有的对象
对象中的finalize机制
Object类中有一个finalize()这个方法是在对象被回收之前，由虚拟机自动调用的，
在对象被回收前，需要执行的一些操作，就可以在此方法中编写
finalize()方法可以在子类中重写
finalize()方法指挥被调用一次（第一次被判定为垃圾，要对其回收，调用finalize()，对象有可能又被引用了，对象就不能被回收，当下一次被判定为垃圾对象时，就不会调用finalize()）
由于finalize()方法存在，被标记为垃圾的对象，也不是非死不可的。
可以将对象分为三种状态：
可触及：被GCRoots引用的， 不是垃圾对象
可复活的：被判定为垃圾的,但是finalize()方法还没有被调用过的
不可触及的（必死无疑的）：被判定为垃圾，且执行过finalize()方法
2.垃圾回收阶段
1.标记-复制算法
将内存可以分为多个较小的块，当发生垃圾回收时，将一个区域中存活的对象复制到另一个区域，
在另一个区域从头开始排列，清除当前垃圾回收的区域
优点：清理之后，内存没有碎片
不足：回收时，需要移动对象，所以适合小内存块，而且存活对象少的情况
适合用于新生代
2.标记-清除算法
将被标记为垃圾的对象地址进行记录。后面如果分配新对象，判断垃圾对象空间能否存储下新的对象,
如果能存储下,用新对象直接覆盖垃圾对象即可
存活对象是不发生移动的.
优点:不会移动对象
不足:回收后,内存空间碎片化
3.标记-压缩(整理)算法
将存活的对象会移动到内存区域的一端,按顺序排列(压缩),清理边界以外的空间,在标记清除的基础上进行一次内存整理.
优点:回收后没有内存碎片
标记-清除和标记压缩对比
标记-清除:不移动存活对象
标记-压缩:会移动存活对象
两者都适合用于老年代对象回收
先使用标记-清除,当老年代 空间不足时,或者不能存储一个比较大的对象时,在使用标记-压缩算法
垃圾回收时,根据不同的分区采用不同的回收算法
新生代 : 标记-复制
老年代 : 标记-清除 标记-压缩
垃圾回收器
什么是垃圾回收器
垃圾回收器,是对垃圾回收过程实践者(落地)
不同的虚拟机中,垃圾回收器种类也是很多的
有哪些垃圾回收器 特点
垃圾回收器分类:
从线程数量上分:
单线程 垃圾回收线程只有一个
多线程 有多个垃圾回收线程
从工作模式上分:
独占式:垃圾回收线程执行时,其他用户线程需要暂停(stop the world)
并发式: 垃圾回收线程和用户线程可以做到并发执行
从分区角度上分：
新生代
老年代
垃圾收集器性能指标:
吞吐量
用户线程暂停时间（重点）
回收时内存开销
Serial 单线程 新生代
Serial Old, 单线程 老年代
ParNew、Parallel Scavenge, 多线程 新生代收集器
Parallel Old, 多线程老年代收集器
CMS, 多线程老年代收集器 （开创了垃圾收集线程与用户线程并发执行的先例）
并发标记清除 收集器
初始标记 --独占执行
并发标记 --并发执行
重新标记 --独占执行
并发清除 --并发执行
G1
G1垃圾回收器，继承了CMS中，垃圾收集线程和用户线程并行执行的特点，减少了用户线程暂停的时间
同时，将新生代和老年代的各个区域，又划分成更小的区域，对每个区域进行跟踪，
优先回收价值高的区域（垃圾多的区域，例如可以把伊甸园区可以分成好几个小的区域）
提升回收效率，提高了吞吐量，不再区分年轻代和老年代，可以做到对整个堆进行回收。
非常适合服务器端程序，大型项目