JVM 篇，本章主要介绍 JVM 相关的知识，包括堆结构，垃圾回收算法，类加载机制等。

JVM内存结构

JVM的内存结构主要指运行时数据区，其主要由五个部分：

  • 程序计数器PC：线程私有，主要记录当前线程执行到哪一条命令，存储的是字节码指令的地址。

  • 虚拟机栈：线程私有，每个线程对应一个栈，栈由栈帧组成，每调用一个方法，就会创建一个栈帧入栈；方法执行完毕，栈帧销毁出栈。

  • 本地方法栈：线程私有，功能和虚拟机栈几乎一样，区别是本地方法栈主要存放本地方法的栈帧。

  • 堆：存储所有对象实例、数组也分配在这里。

  • 方法区：线程共享，存储类的元信息。

JVM 内存结构示意图

程序计数器

是一小块线程私有的空间，主要用于记录当前线程执行的字节码地址，主要用于线程重新获得CPU时间时继续从上次执行结束的位置开始继续向下执行。

线程计数器是唯一不会OOM的内存区域，因为它只存储一个地址，而地址的长度是确定的，因此不会出现OOM

堆

堆是 JVM 中最大的一块内存区域，主要用来保存对象实例、数组等，堆的容量是有限的，当达到最大值时，如果此时再申请内存就会抛出OOM。

在现代 JVM 中堆一般分为年轻代和老年代，年轻代又细分为Eden区和两个大小相同的S区（幸存者区），年轻代主要存放存活时间不是很长的对象，当触发minor GC时，JVM 会将Eden区和其中一个S区中存活的对象全部复制到另一个S区中；当一个对象经历了很多次垃圾回收之后仍然存活时，JVM 便会认为该对象会是一个长期存活的对象，会将其升级到老年代，老年代一般存放存活时间较长的对象和一些大对象。

虚拟机栈

虚拟机栈是每个线程运行时所需的内存，每个栈由多个栈帧组成，每个栈帧都对应一次方法的调用，栈帧中存储了方法调用信息，例如参数、返回值、局部变量等。每个线程都对应一个虚拟机栈，每个虚拟机栈中可能有多个栈帧，对应多次方法的调用，但是每个线程只能由一个活动栈帧，也就是当前正在执行的方法对应的栈帧。

补充知识：

  1. 垃圾回收不涉及栈内存，垃圾回收主要操作的是堆内存，栈帧弹出栈之后其内存就会自动释放，不需要垃圾回收。

  2. 栈内存不是越大越好，栈内存大确实不容易栈溢出，但是栈内存变大之后会导致活动线程数变少，栈内存一般采用默认值即可。

  3. 方法内的局部变量不一定线程安全，是否是线程安全取决于局部变量有没有被外部线程引用，如果局部变量是在方法内创建，并且没有对外暴露引用，那么这个局部变量就是线程安全的，因为只在方法内部被操作，否则就是非线程安全的。

本地方法栈结构和功能和虚拟机栈类似，主要区别是本地方法栈存放的是本地方法的栈帧。

方法区

方法区是一块线程共享的区域，主要存储类的元信息和运行时常量池。

运行时常量池是将class文件常量池加载到内存后的版本，里面将class文件常量池中的符号引用变为了直接引用（内存地址），主要存放字面量和符号引用，符号引用会在类的解析阶段转换为真实的物理引用。

方法区在 JDK 1.7 和 1.8 实现的区别：方法区在 1.7 和 1.8 的区别主要是位置上的不同。在 JDK 1.7 中，方法区主要存放在堆上的永久代中， JDK 1.8 将方法区从 永久代移动到了本地内存的元空间中。

更换实现的原因：

  1. 永久代位于 Java 堆内，有固定上限，需要手动配置大小。动态代理、热部署场景会不断生成新类，容易出现OOM；调大永久代又会挤压普通 Java 对象的堆空间，很难预估合适大小。

  2. 永久代只有 Full GC 时才会尝试做类卸载，类元数据回收效率差，内存泄漏风险高。

  3. 元空间使用本地内存，默认自动扩容，上限受物理内存限制；到达阈值就触发 GC，对废弃类加载器和类元数据做回收，类卸载能力相比永久代大幅提升。

  4. 把类元数据放到堆外，将 Java 对象堆 和类元信息存储做隔离，互不抢占内存。

双亲委派机制

Java的双亲委派机制是指，当一个类加载器接收到加载类的任务时，会先尝试委托上级加载器加载，如果上级加载器也没能成功加载，则由自己尝试加载。

类加载器按照层级分为四类：

  • 启动类加载器：由 c++ 实现，加载 Java 中最核心的基础类，例如String类等。

  • 扩展类加载器：Java 实现，主要加载的是 JDK 扩展包，例如数据库驱动类等。

  • 应用程序类加载器：主要加载我们自己写的类，默认扫描目录是项目的 CLASSPATH 路径。

  • 自定义类加载器：业务中自定义的类加载器，实现了自定义的类加载逻辑，例如从数据库读取字节码文件等。

为什么 JVM 采用双亲委派机制 ？

  1. 通过双亲委派机制可以防止类被重复加载，如果父类加载器已经加载过这个类了，子类加载器就不会重复加载了，保证了类的唯一性。

  2. 保证类的安全性，防止恶意代码替换核心类。

类的生命周期

类的声明周期可以分为如下几个阶段：

  • 加载：通过类的全名获取类的二进制流，解析这个二进制流为方法区的数据结构（Klass对象）并创建Class实例作为方法区中Klass对象的访问入口。

  • 连接：连接阶段又可以细分为三个阶段。

    • 验证：验证类是否符合 JVM 规范，检查内容包括文件格式、元数据、字节码等。并且检查符号引用是否存在。

    • 准备：为类变量分配内存并设置初始值。static变量赋默认值，赋值在初始化阶段完成，非引用类型的final变量在准备阶段直接进行赋值。

    • 解析：将类中的符号引用转换为直接引用。方法名可以理解为符号引用，指向方法的指针就是直接引用。

  • 初始化：对类的静态变量、静态代码块执行初始化操作。

  • 使用：在应用中使用类，例如调用静态方法、创建对象实例等。

  • 卸载：销毁类的class对象，当一个类满足如下三个条件时，就会被卸载，释放类元数据。

    • 该类的所有实例对象均已被GC。

    • 指向该类的class对象不存在任何强引用。

    • 加载这个类的类加载器本身已经被GC。

JVM垃圾回收算法

JVM 的垃圾回收算法一般有三种：标记清除算法、复制算法、标记整理算法。

  • 标记清除算法分为两个阶段：标记和清除

    1. 根据可达性分析算法得出的垃圾进行标记。

    2. 将标记出的垃圾进行回收。

    优点：不需要移动对象，直接回收，实现简单。

    缺点：容易产生大量内存碎片，内存不连贯，导致大对象很难分配。

  • 复制算法：复制算法将内存分为了两个区域，每次只使用其中的一块，GC时将存活对象复制到另一块区域中，然后将该区域的内存清空。

优点：没有内存碎片。

缺点：两个内存区域中只有一个能存储对象，另一个需要用来在GC时存放存活对象，内存利用率低。

  • 标记整理算法：和标记清除算法类似，第一阶段也是先对存活对象进行标记，第二阶段会将存活对象向内存的一端移动，然后清理边界以外的垃圾。

优点：无内存碎片。

缺点：需要进行对象的移动，效率低。

JVM 的分代回收算法

在 JDK8 之后， JVM采用的垃圾回收算法是分代回收算法，该算法将整个堆内存分为了两大部分：新生代和老年代。

  • 新生代一般分为一个 Eden 区和两个 Survivor 区（from区和to区），新创建的对象会分配到 Eden 区，当 Eden 区满时会触发年轻代GC（Minor GC），会标记 Eden 区和 from 区中的存活对象，然后将其复制到 to 区中，并将 from 和 to 区角色互换。某些对象如果经历了很多次 GC 依然存活，那么 JVM 会认为该对象会长期存活，会将其晋升到老年代.

  • 老年代一般存放分代年龄较大的对象以及一些大对象，老年代的空间较大，因此GC停顿时间较长，所以老年代的GC频率一般较低。