JVM总结

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内存区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区
域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域,如下图

Java运行时区域.png

Program Count Register

程序计数器:是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每个线程都有自己的独立的程序计数器。
如果线程正在执行的是Java方法,那么这个计数器的值就是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值为空(undefined)。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Stack

线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法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。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(slot),其余的数据类型占1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间分配完成,当进入一个方法时,这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。如果线程请求栈的深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;无法申请到内存抛出OutOfMemoryError异常。

Native Stack

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法,而本地栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

Heap

Java堆是线程共享的,在虚拟机启动时创建。此区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称作“GC堆”。由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。

Method Area

线程共享,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载!
本地方法区存在一块特殊的内存区域,叫常量池(Constant Pool)。

常量池(Constant Pool)指的是在编译期被确定,并被保存在已编译的.class文件中的一些数据。它包括了关于类、方法、接口等中的常量,也包括字符串常量。Java把内存分为堆内存跟栈内存,前者主要用来存放对象,后者用于存放基本类型变量以及对象的引用。

GC机制

GC回收的时候需要判断三个条件:

  1. 哪些内存需要回收?
  2. 什么时候回收?
  3. 如何回收?

Java内存的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生,随线程而灭;栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着入栈和出栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的,因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性,在这几个区域内就不需要过多考虑回收的问题,因为方法结束或者线程结束,内存自然就跟随着回收了。
而Java堆和方法区则不一样,一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样,一个方法中的多个实现类需要的内存可能不一样,一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样,只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象,这部分内存的分配和回收是动态的,垃圾收集器所关注的是这部分的内存。

对象引用

Java 中的垃圾回收一般是在 Java 堆中进行,因为堆中几乎存放了 Java 中所有的对象实例。谈到 Java 堆中的
垃圾回收,自然要谈到引用。在 JDK1.2 之前,Java 中的引用定义很很纯粹:如果 reference 类型的数据中存
储的数值代表的是另外一块内存的起始地址,就称这块内存代表着一个引用。但在 JDK1.2 之后,Java 对引用的
概念进行了扩充,将其分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)四种,引用强度依次减弱。

  • 强引用:如“Object obj = new Object()”,这类引用是 Java 程序中最普遍的。只要强引用还存在,垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
  • 软引用:它用来描述一些可能还有用,但并非必须的对象。在系统内存不够用时,这类引用关联的对象将被
    垃圾收集器回收。JDK1.2 之后提供了 SoftReference 类来实现软引用。
  • 弱引用:它也是用来描述非需对象的,但它的强度比软引用更弱些,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时,无论当前内存是否足够,都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK1.2 之后,提供了 WeakReference 类来实现弱引用。
  • 虚引用:最弱的一种引用关系,完全不会对其生存时间构成影响,也无法通过虚引用来取得一个对象实例

GC判定算法

引用计数算法

给对象中添加一个引用计数器,每当有
一个地方引用它时,计数器值就加1;当引用失效时,计数器值就减1;任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的,引用计数算法(Reference Counting)的实现简单,判定效率也很高,在大部分情况下它都是一个不错的算法,但是,至少主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数算法来管理内存,其中最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

可达性分析算法
可达性分析图解

Java中使用可达性分析(Reachability Analysis)来判定对象是否存活的。
通过一系列的称为“GCRoots”的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain),当一个对象到GCRoots没有任何引用链相连时,则证明此对象是不可用的。

GC收集算法

标记-清除算法

算法分为标记和清除两个阶段: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,它的标记过程就是使用可达性算法进行标记的。

标记清除算法.png

主要缺点有两个:

  • 效率问题,标记和清除两个过程的效率都不高
  • 空间问题,标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片
复制算法

复制算法:将可用内存按照容量分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了,就将还存活着的对象复制到另一块上面,然后把已使用过的内存空间一次清理掉。
内存分配时不用考虑内存碎片问题,只要一动堆顶指针,按顺序分配内存即可,实现简单,运行高效。代价是将内存缩小为原来的一半。

复制算法.png
标记-整理算法

标记整理算法(Mark-Compact),标记过程仍然和“标记-清除”一样,但后续不走不是直接对可回收对象进行清理,而是让所有存活对象向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。

标记整理.png
分代算法

根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般把Java堆分为新生代和老年代,根据各个年代的特点采用最合适的收集算法。在新生代中,每次垃圾收集时有大批对象死去,只有少量存活,可以选用复制算法。而老年代对象存活率高,使用标记清理或者标记整理算法。

类加载机制

概述

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存,并对数据进行校验、转换解析和初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的 Java类型,这就是虚拟机的类加载机制。

类加载过程

类加载过程.png

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载

其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中,加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的,而解析阶段则不一定,它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也成为动态绑定或晚期绑定)。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始,而不是按顺序进行或完成,因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的,通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

这里简要说明下 Java 中的绑定:绑定指的是把一个方法的调用与方法所在的类(方法主体)关联起来,对 Java 来说,绑定分为静态绑定和动态绑定:

• 静态绑定:即前期绑定。在程序执行前方法已经被绑定,此时由编译器或其它连接程序实现。针对 Java,简单的可以理解为程序编译期的绑定。Java当中的方法只有final,static,private 和构造方法是前期绑定的。
• 动态绑定:即晚期绑定,也叫运行时绑定。在运行时根据具体对象的类型进行绑定。在 Java 中,几乎所有的方法都是后期绑定的。下面详细讲述类加载过程中每个阶段所做的工作。

  • 加载阶段: 是“类加载”(Class Loading)过程的第一个阶段,在此阶段,虚拟机需要完成以下三件事情:
  1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
  3. 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这些数据的访问入口。
  • 验证阶段:是连接阶段的第一步,这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求,并且不会危害虚拟机自身的安全。

  • 准备阶段:是为类的静态变量分配内存并将其初始化为默认值,这些内存都将在方法区中进行分配。准备阶段不分配类中的实例变量的内存,实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

  • 解析阶段:是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

  • 类初始化:是类加载过程的最后一步,前面的类加载过程,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外,其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的Java程序代码。

类加载器

  1. 启动类加载器,负责将存放在JAVA_HOME\lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即时放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被java程序直接引用。
  2. 扩展类加载器:负责加载JAVA_HOME\lib\ext目录中的,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用该类加载器。
  3. 应用程序类加载器:负责加载用户路径上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,也是默认的类加载器。
    三种加载器的关系:启动类加载器->扩展类加载器->应用程序类加载器->自定义类加载器。

双亲委派模型

从上面的类加载器可以看出,类加载器的加载顺序是自下而上的。


双亲委任模型.png

我们把类加载器的这种加载顺序双亲委派模型。其要求除启动类加载器外,其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不以继承关系实现,而是用组合的方式来复用父类的代码。

双亲委派模型的工作过程:如果一个类加载器接收到了类加载的请求,它首先把这个请求委托给他的父类加载器去完成,每个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求都应该传送到顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它在搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

好处:java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar中,无论哪个类加载器要加载这个类,最终都会委派给启动类加载器进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果用户自己写了一个名为java.lang.Object的类,并放在程序的Classpath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,java类型体系中最基础的行为也无法保证,应用程序也会变得一片混乱。

实现:在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中,先检查是否已经被加载过,若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法,若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父加载失败,则抛出ClassNotFoundException异常后,再调用自己的findClass()方法进行加载。

参考资料:

《深入理解Java虚拟机》

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