Java虚拟机

java虚拟机(java virtual machine，JVM)，一种能够运行java字节码的虚拟机。作为一种编程语言的虚拟机，实际上不只是专用于Java语言，只要生成的编译文件匹配JVM对加载编译文件格式要求，任何语言都可以由JVM编译运行。

JVM的基本结构

JVM由三个主要的子系统构成类加载子系统

运行时数据区（内存结构）

执行引擎

类加载机制 类的生命周期

1. 加载 将.class文件从磁盘读到内存

2. 连接

2.1 验证 验证字节码文件的正确性(魔数)

2.2 准备 给类的静态变量分配内存，并赋予默认值

2.3 解析 类装载器装入类所引用的其它所有类(静态链接)

3. 初始化 为类的静态变量赋予正确的初始值，上述的准备阶段为静态变量赋予的是虚拟机默认的初始值，此处赋予的才是程序 编写者为变量分配的真正的初始值，执行静态代码块

4. 使用

5. 卸载

类加载器的种类

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader) 负责加载JRE的核心类库，如JRE目标下的rt.jar，charsets.jar等

扩展类加载器(Extension ClassLoader) 负责加载JRE扩展目录ext中jar类包

系统类加载器(Application ClassLoader) 负责加载ClassPath路径下的类包

用户自定义加载器(User ClassLoader) 负责加载用户自定义路径下的类包

类加载机制 全盘负责委托机制 当一个ClassLoader加载一个类的时候，除非显示的使用另一个ClassLoader，该类所依赖和引用的类也由这个 ClassLoader载入

双亲委派机制 指先委托父类加载器寻找目标类，在找不到的情况下载自己的路径中查找并载入目标类

双亲委派模式的优势

沙箱安全机制：比如自己写的String.class类不会被加载，这样可以防止核心库被随意篡改

避免类的重复加载：当父ClassLoader已经加载了该类的时候，就不需要子ClassLoader再加载一次 运行时数据区（内存结构）

1. 方法区（Method Area）(永久带/持久带jdk1.8以前，元空间) 类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在这里定义。简单来说，所有定义的方法的 信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息（构造方法/接口定义）+运行时常量池都存在方法区中，虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是为了和Java的堆区分开(jdk1.8以前hotspot虚拟机叫永久代、持久代，jdk1.8时叫元空间)

2. 堆（Heap） 虚拟机启动时自动分配创建，用于存放对象的实例，几乎所有对象都在堆上分配内存，当对象无法在该空间申请到内 存是将抛出OutOfMemoryError异常。同时也是垃圾收集器管理的主要区域。

2.1 新生代（Young Generation） 类出生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集， 结束生命。 新生代分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor space），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区又分为From和To区。当Eden区的空间用完是，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将Eden区进行垃圾回 收（Minor GC），将Eden区中的不再被其它对象应用的对象进行销毁。然后将Eden区中剩余的对象移到From Survivor区。若From Survivor区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到To Survivor区。

2.2 老年代（Old Generation）

新生代经过多次GC仍然存货的对象移动到老年区。若老年代也满了，这时候将发生Major GC（也可以叫Full GC）， 进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会抛出OOM（OutOfMemoryError）异常

2.3元空间（MetaSpace）

在JDK1.8之后，元空间替代了永久代，它是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区不在虚拟机当中，而是用 的本地内存，永久代在虚拟机当中，永久代逻辑结构上也属于堆，但是物理上不属于。

为什么移除了永久代 ？

参考官方解释

大概意思是移除永久代是为融合HotSpot与 JRockit而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。

3. 栈(Stack)

Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息）不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一 致

4.本地方法栈(NativeMethodStack)

和栈作用很相似，区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务，而本地方法栈为JVM执行native方法服务。登记native 方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库

5.程序计数器(ProgramCounterRegister)

就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向吓一跳指令的地址，也即将要执行的指令代码），由执行 引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计

GC算法和收集器 如何判断对象可以被回收 堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使用的 对象）

引用计数法 给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用，计数器就加1。当引用失效，计数器就减1。任何时候计数器为0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中没有选择这个算法来管理内存，最主要的原因是它很难解决对 象之前相互循环引用的问题。所谓对象之间的相互引用问题，通过下面代码所示：除了对象a和b相互引用着对方之 外，这两个对象之间再无任何引用。但是它们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为0，于是引用计数器 法无法通知GC回收器回收它们。

可达性分析算法 这个算法的基本思想就是通过一系列的称为”GC Roots“的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连的话，则证明此对象时不可用的。 GC Roots根节点：类加载器、Thread、虚拟机栈的本地变量表、static成员、常量引用、本地方法栈的变量等等

如何判断一个常量是废弃常量 运行时常量池主要回收的是废弃的常量。那么，我们怎么判断一个常量时废弃常量呢？ 假如在常量池中存在字符串”abc”，如果当前没有任何String对象引用该字符串常量的话，就说明常量”abc“就是废弃 常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，”abc“会被系统清理出常量池。

如何判断一个类是无用的类 需要满足以下三个条件：

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
• 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
• 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。 虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里仅仅是”可以“，而并不是和对象一样不适用了就必然会被回收。

垃圾回收算法

标记-清除算法 它是最基础的收集算法，这个算法分为两个阶段，“标记”和”清除“。首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。它有两个不足的地方： 1. 效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；

2. 空间问题，标记清除后会产生大量不连续的碎片；

复制算法 为了解决效率问题，复制算法出现了。它可以把内存分为大小相同的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存 使用完后，就将还存活的对象复制到另一块区，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内 存区间的一半进行回收

标记-整理算法 根据老年代的特点提出的一种标记算法，标记过程和“标记-清除”算法一样，但是后续步骤不是直接对可回收对象进行 回收，而是让所有存活的对象向一段移动，然后直接清理掉边界以外的内存

分代收集算法

现在的商用虚拟机的垃圾收集器基本都采用”分代收集”算法，这种算法就是根据对象存活周期的不同将内存分为几 块。一般将java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

在新生代中，每次收集都有大量对象死去，所以可以选择复制算法，只要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃 圾收集。而老年代的对象存活几率时比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，就必须选择“标记-清除”或 者“标记-整理”算法进行垃圾收集。