JVM类加载和垃圾回收（详细）
文章目录
JVM
介绍
JDK/JRE/JVM的关系
JDK：JRE+编译工具
JRE：JVM+基础类库
JVM
内存结构
堆
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存放对象实例
对象
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对象头：标记字段和类型指针
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实例数据
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对其填充
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字符串常量池：避免字符串的重复创建
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静态变量
程序计数器
作用：记住下一条jvm指令的执行地址
多线程的情况下，程序计数器记录当前线程的执行位置，当线程切换回来时能够知道运行到那里
tip：唯一一个不会内存溢出的内存区域，随线程的创建而创建，结束而死亡
虚拟机栈
作用：为虚拟机执行java方法服务
栈帧
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局部变量表：存放编译期可知的各种数据类型和对象引用
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操作数栈：存放方法执行过程中产生的中间计算结果
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动态链接：将类常量池中的符号应用转换为直接引用
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方法返回地址
- 两种返回方式：正常返回和抛出异常
本地方法栈
作用：为虚拟机执行Native方法服务
本地内存
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元空间（方法区的实现类）
- 运行时常量池：常量池表存放字面量和符号引用，在类加载后存放到方法的运行时常量池中
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直接内存
类文件
字节码文件
作用：
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是不同语言和Java虚拟机之间的重要桥梁
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是Java跨平台的重要原因（字节码不针对特定的机器，java程序无需重新编译就可以在不同操作系统的计算机上运行）
结构
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魔数：确定这个文件是否为一个能被虚拟机接收的Class文件（4字节）
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Class 文件版本号
- 次版本号（2字节）
- 主版本号（2字节）
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常量池：存放字面量和符号引用
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访问标志：识别一些类或接口层次的访问信息
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当前类
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父类
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接口集合
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字段表集合：成员变量（实例变量和类变量）
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方发表集合
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属性表集合
类加载
类的生命周期
加载
- 通过全类名获取定义此类的二进制字节流
- 将字节流所代表的静态存储结构装换位方法区的运行时数据结构
- 在内存中生成一个代表此类的Class对象，作为方法区中数据的访问入口
类加载器
定义：类加载器是一个加载类的对象；
每一个Java类都有一个引用指向加载它的ClassLoader；
数组类不是通过类加载器创建的（没有对应的二进制字节流），由JVM直接生成。
作用：加载Java类的class文件到JVM中（在内存中生成一个代表此类的Class对象）
加载规则：
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大部分类在使用时才会被加载
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一个类只会被加载一次
双亲委派模型
定义：ClassLoader实例会在尝试亲自查找类或资源之前，将查找类或资源的任务委托给父类加载器
tip：除了启动类加载器外，其他类加载器都有自己的父类加载器
各种类加载器之间的层次关系：
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启动类加载器：加载JDK内部的核心类库%JAVA_HOME%/lib，由C++实现
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扩展类加载器：加载%JRE_HOME%/lib/ext下的jar包和类
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应用程序类加载器：加载应用classpath下的所有jar包和类
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自定义类加载器：需要继承ClassLoader抽象类
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findClass()根据二进制名称查找类
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loadClass()加载指定二进制名称的类，实现了双亲委派机制
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执行流程：
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判断是否被加载过
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将加载类的请求委托给父类加载器去完成（调用loadClass()方法）
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所有的父类加载器无法加载这个类时，子加载器会尝试自己去加载（调用findClass()方法）
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子类加载器也无法加载这个类，抛出ClassNotFoundException异常
tip：判断两个Java类是否相同：
1.类的全类名相同
2.类的类加载器相同
好处：
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避免了类的重复加载
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保证Java核心API不被篡改
打破双亲委派模型的方法：自定义加载器，继承ClassLoader，重写loadClass()
链接
验证：保证Class文件的字节流中包含的信息符合全部约束要求，不会危害虚拟机自身安全
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文件格式验证
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元数据验证（字节码语义检查）
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字节码验证（程序语义检查）
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符号引用验证（类的正确性检查）
准备：为类变量分配内存并设置类变量初始值（在方法区分配）
tip：jdk7之后字符串常量池、静态变量等移动到了堆中
解析：将常量池中的符号引用转化为直接引用（虚拟栈中的动态链接）
初始化
执行初始化方法clinit()的条件：
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new创建实例
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getstatic访问类的静态变量
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putstatic给静态变量复制
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invokestatic调用类的静态方法
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需要初始化类的父类
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主类
类卸载
满足条件：
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给类的素有实例对象都已经被GC
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该类没有在其他地方被引用
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该类的类加载器的实例被GC
垃圾回收
堆空间的基本结构
堆是垃圾回收的主要区域，也称GC堆
结构：
- 新生代
- 老生代
- 永久代（元空间）
内存分配和回收原则
内存分配
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对象优先在Eden区分配
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大对象直接进入老年代
- 大对象指需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）
- 避免将大对象放入新生代，减少新生代的垃圾回收频率和成本
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长期存活的对象进入老年代
- 当Survivor空间的对象达到晋升年龄阈值（默认15）时，会被放入到老年代中
主要进行gc的区域
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部分收集Partial GC
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新生代收集Minor GC / Young GC：只对新生代进行垃圾收集
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老年代收集Major GC / Old GC：只对老年代进行垃圾收集
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混合收集Mixed GC：对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集
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整堆收集Full GC
空间分配担保：将新生代对象转移到老年代
死亡对象判断方法
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引用计数法
定义：当引用它时，+1；引用失效时，-1；计数器为0时，对象就不可能再被使用了
缺点：无法解决对象之间循环引用的问题
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可达性分析算法
定义：判断对象到GC Roots是否可达（可达：存在引用链）
可以作为GC Roots：
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方法区中静态变量、常量引用的对象
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虚拟栈中引用的对象
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本地方法栈中引用的对象
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所有被同步锁持有的对象
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JNI（Java Native Interface）引用的对象
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引用类型
强引用：一定不会被回收
软引用：内存空间不足的时候，回收
弱引用：扫描到就会回收
虚引用：用来跟踪对象被垃圾回收的过程，必须配合引用队列使用
垃圾收集算法
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标记-清除算法：标记不需要回收的对象（可达对象），清除没有标记的对象
缺点
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效率问题：标记和清除过程效率不高
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空间问题：回收后会产生大量不连续的内存碎片
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复制算法：将内存划分为大小相同的两块，把存活的对象复制到另一块内存上，再把使用的空间全部清除
缺点
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可用内存变小
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不适合老年代：如果存活对象比较大，复制性能会变差
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标记-整理算法：先标记不需要回收的对象，然后让存活对象移动到一段，最后清除到端边界以外的内存
缺点
- 效率不高，适合老年代这种垃圾回收频率不高的场景
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分代收集算法：根据对象存活周期不同划分为新生代和老年代，不同年代选择合适的垃圾收集算法
新生代：复制算法，大量对象死亡，只需要复制少量对象
老年代：标记-清除或标记-整理，对象存活率高，需要清除的较少
垃圾收集器
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Serial收集器：使用一条线程进行垃圾收集工作时，暂停其他所有工作线程
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Serial Old收集器：Serial收集器的老年代版本
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ParNew收集器：Serial收集器的多线程版本
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Parallel Scavenge收集器：提高CPU利用率
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Parallel Old收集器：Parallel Scavenge收集器的老年代版本
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CMS收集器：获得最短回收停顿时间的收集器，提高用户体验；真正意义上的并发收集器，垃圾收集线程和用户线程同时工作
四个步骤
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初始标记：短暂停顿，标记可达对象
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并发标记：开启GC和用户线程，标记可达对象，但不包含所有可达对象，因为用户线程会导致标记变动
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重新标记：短暂停顿，修正并发标记期间的对象标记记录
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并发清除：开启GC和用户线程，对未标记区域进行清除
优点
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并发收集
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低停顿
缺点
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对CPU资源敏感
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无法处理浮动垃圾
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标记-清除算法，会产生大量空闲碎片
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G1收集器：面向服务器的垃圾收集器，针对于配备了多颗处理器的机器
四个步骤
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初始标记：短暂停顿，标记可达对象
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并发标记：开启GC和用户线程，标记可达对象，但不包含所有可达对象，因为用户线程会导致标记变动
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最终标记：短暂停顿，修正并发标记期间的对象标记记录
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筛选回收：选择回收价值高的区域，复制存活对象到新区域，清楚旧区域
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ZGC收集器