java学习——java基础（十一）之JVM内存模型

写在前面：今天七夕，祝大家七夕快乐哈。

在JAVA开发中，字节码是在JRE上运行的，而JVM则是JRE中的核心组成部分，它可以分析和执行JAVA字节码文件。虽然开发中并不需要了解JVM运行机制便可以开发出应用程序，但是掌握JVM的内部机制，则可以解决复杂的性能问题，也是JAVA程序员必备知识之一。

1.什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

JRE/JDK/JVM是什么关系？(JDK > JRE > JVM)

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。

JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是 安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

JVM结构如图所示：

2.java代码编译和执行的整个过程

Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示：

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：

Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制：

(1) Java源码编译机制

(2) 类加载机制

(3) 类执行机制

编译机制：

Java 源码编译由以下三个过程组成：

(1) 分析和输入到符号表

(2) 注解处理

(3) 语义分析和生成class文件

生成的class文件组成：

(1) 结构信息：包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息。

(2) 元数据：对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池。

(3) 方法信息：对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息。

类加载机制：

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，采用双亲委派模型，详细请看java基础（十）之类加载机制。

类执行机制：

JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的。线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。

JVM生命周期：

(1) 启动：启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点。

(2) 运行：main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以表明自己创建的线程是守护线程。 

(3) 消亡：当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。

3.运行时数据区

(1) 寄存器

JVM内部虚拟寄存器，存取速度非常快，程序不可控制。每个线程都会有一个PC(Program Counter)寄存器，并跟随线程的启动而创建。PC寄存器中存储下一步将执行的JVM指令，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。

(2) JVM栈

每个线程都有一个JVM栈，并跟随线程的启动而创建。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表（基本类型变量）、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

(3) 堆

是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，包括：所有的对象实例、全局变量以及数组都要在堆上分配。同时，堆也是垃圾回收的目标场所。当涉及到JVM性能优化时，通常也会提及到数据堆空间的大小设置。JVM提供者可以决定划分堆空间或者不执行垃圾回收。

(4) 方法区

方法区（Method Area）也是各个线程共享的内存区域，在JVM启动时创建，存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息。JVM规范并对方法区的垃圾回收未做强制限定，因此对于JVM实现者来说，方法区的垃圾回收是可选操作。

(5) 本地方法栈

JVM采用本地方法堆栈来支持native方法的执行，此区域用于存储每个native方法调用的状态。

(6) 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，存放的是类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

4.JVM垃圾回收

GC (Garbage Collection)的基本原理：将内存中不再被使用的对象进行回收，GC中用于回收的方法称为收集器，由于GC需要消耗一些资源和时间，Java在对对象的生命周期特征进行分析后，按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停。

(1) 对新生代的对象的收集称为minor GC；

(2) 对旧生代的对象的收集称为Full GC；

(3) 程序中主动调用System.gc()强制执行的GC为Full GC。

首先来看下堆的结构图：

从上图可知，JVM采用分代收集。即将内存分为几个区域，将不同生命周期的对象放在不同区域里；

(1) 在GC收集的时候，频繁收集生命周期短的区域(Young area)；

(2) 比较少的收集生命周期比较长的区域(Old area)；

(3) 基本不收集的永久区(Perm area)。

新生代的GC

新生代被分为Eden和Survivor区，而Survivor则由From Space和To Space组成。

新生代通常存活时间较短，因此采用基于Copying算法来进行回收。

所谓Copying算法就是扫描出存活的对象，并复制到一块新的完全未使用的空间中，对应于新生代，就是在Eden和From Space或To Space之间copy。新生代采用空闲指针的方式来控制GC触发，指针保持最后一个分配的对象在新生代区间的位置，当有新的对象要分配内存时，用于检查空间是否足够，不够就触发GC。当连续分配对象时，对象会逐渐从eden到survivor，最后到旧生代，用java visualVM来查看，能明显观察到新生代满了后，会把对象转移到旧生代，然后清空继续装载，当旧生代也满了后，就会报outofmemory的异常。

旧生代的GC

旧生代与新生代不同，对象存活的时间比较长，比较稳定，因此采用标记（Mark）算法来进行回收。

所谓标记就是扫描出存活的对象，然后再进行回收未被标记的对象，回收后对用空出的空间要么进行合并，要么标记出来便于下次进行分配，总之就是要减少内存碎片带来的效率损耗。在执行机制上JVM提供了串行GC（Serial MSC）、并行GC（parallel MSC）和并发GC（CMS）。

持久代的GC

Permanent GC是指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta的信息，Class在被 Load的时候被放入PermGen space区域.。它和存放Instance的Heap区域不同，GC(Garbage Collection)不会在主程序运行期对PermGen space进行清理，所以如果你的APP会LOAD很多CLASS的话，就很可能出现PermGen space错误。

5.GC算法

(1) 引用计数法：通过引用计数来回收垃圾。

引用计数器的实现很简单，对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的引用计数器就加1，当引用失效时，引用计数器就减1。只要对象A的引用计数器的值为0，则对象A就不可能再被使用。

引用计数法的缺点：引用和去引用伴随加法和减法，影响性能。很难处理循环引用

(2) 标记-清除算法：是现代垃圾回收算法的思想基础。标记-清除算法将垃圾回收分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。一种可行的实现是，在标记阶段，首先通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象。因此，未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。然后，在清除阶段，清除所有未被标记的对象。常用于大量对象存活，如老年代。

(3) 标记-压缩算法：适合用于存活对象较多的场合，如老年代。它在标记-清除算法的基础上做了一些优化。和标记-清除算法一样，标记-压缩算法也首先需要从根节点开始，对所有可达对象做一次标记。但之后，它并不简单的清理未标记的对象，而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。之后，清理边界外所有的空间。常用于大量对象存活，如老年代。

(4) 复制算法：是一种相对高效的回收方法，不适用于存活对象较多的场合，如老年代。将原有的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在使用的内存中的存活对象复制到未使用的内存块中，之后，清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，完成垃圾回收。常用于少量对象存活的时期，如新生代。

复制算法的最大问题是：空间浪费，整合标记清理思想。

三种算法的比较 

效率：复制算法 > 标记/整理算法 > 标记/清除算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度，实际情况不一定如此）。 

内存整齐度：复制算法=标记/整理算法>标记/清除算法。 

内存利用率：标记/整理算法=标记/清除算法>复制算法。

6.引用类型

不同的对象引用类型， GC会采用不同的方法进行回收，JVM对象的引用分为了四种类型：

(1) 强引用

当我们使用new 这个关键字创建对象时被创建的对象就是强引用，如Object object = new Object() 这个Object()就是一个强引用了，如果一个对象具有强引用。垃圾回收器就不会去回收有强引用的对象。如当jvm内存不足时，具备强引用的对象，虚拟机宁可会报内存空间不足的异常来终止程序，也不会靠垃圾回收器去回收该对象来解决内存。

(2) 软引用

如果一个对象具备软引用，如果内存空间足够，那么垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收该对象。当然没有被回收之前，该对象依然可以被程序调用。一般用于实现内存敏感的高速缓存。

(3) 弱引用

如果一个对象只具有弱引用，只要垃圾回收器在自己的内存空间中线程检测到了，就会立即被回收，对应内存也会被释放掉。相比软引用弱引用的生命周期要比软引用短很多。

(4) 虚引用

如果一个对象只具有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，随时会被jvm当作垃圾进行回收。虚引用既不会影响对象的生命周期，也无法通过虚引用来获取对象实例，仅用于在发生GC时接收一个系统通知。

jdk中的引用实现类

代表软引用的类：java.lang.ref.SoftReference

代表弱引用的类：java.lang.ref.WeakReference

代表虚引用的类：java.lang.ref.PhantomReference

他们同时继承了：java.lang.ref.Reference

引用队列：java.lang.ref.ReferenceQueue，这个引用队列是可以三种引用类型联合使用的，以便跟踪java虚拟机回收所引用对象的活动。

7.垃圾收集器

Serial收集器 

是一个单线程的收集器，不是只能使用一个CPU。在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到收集结束。 

新生代采用复制算法，Stop-The-World 

老年代采用标记-整理算法，Stop-The-World 

简单高效，Client模式下默认的新生代收集器 

ParNew收集器 

ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本 

新生代采用复制算法，Stop-The-World 

老年代采用标记-整理算法，Stop-The-World 

它是运行在Server模式下首选新生代收集器 。

除了Serial收集器之外，只有它能和CMS收集器配合工作 。

ParNew Scanvenge收集器 

类似ParNew，但更加关注吞吐量。目标是：达到一个可控制吞吐量的收集器。 

停顿时间和吞吐量不可能同时调优。我们一方面希望停顿时间少，另外一方面希望吞吐量高，其实这是矛盾的。因为：在GC的时候，垃圾回收的工作总量是不变的，如果将停顿时间减少，那频率就会提高；既然频率提高了，说明就会频繁的进行GC，那吞吐量就会减少，性能就会降低。 

G1收集器 

是当今收集器发展的最前言成果之一，对垃圾回收进行了划分优先级的操作，这种有优先级的区域回收方式保证了它的高效率 。

最大的优点是结合了空间整合，不会产生大量的碎片，也降低了进行gc的频率，让使用者明确指定指定停顿时间 。

CMS收集器：（Concurrent Mark Sweep：并发标记清除老年代收集器） 

一种以获得最短回收停顿时间为目标的收集器，适用于互联网站或者B/S系统的服务器上 。

初始标记(Stop-The-World)：根可以直接关联到的对象 。

并发标记(和用户线程一起)：主要标记过程，标记全部对象 。

重新标记(Stop-The-World)：由于并发标记时，用户线程依然运行，因此在正式清理前，再做修正 。

并发清除(和用户线程一起)：基于标记结果，直接清理对象 。

并发收集，低停顿。

8.Student s = new Student();在内存中做了哪些事情? 

(1) 编译完成后，加载Student.class文件进内存；

(2) 在栈内存为s开辟空间；

(3) 在堆内存为学生对象开辟空间；

(4) 对学生对象的成员变量进行默认初始化； 

(5) 对学生对象的成员变量进行显示初始化； 

(6) 通过构造方法对学生对象的成员变量赋值；

(7) 学生对象初始化完毕，把对象地址赋值给s变量。