《Java虚拟机》学习简记

开始学习 Java虚拟机的原理，参考《深入理解Java虚拟机 第二版》周志明一书和“chjttony”博友所总结的简版学习笔记《深入理解java虚拟机》学习笔记，边学习边记忆，好记性不如烂笔头，记录如下。

一、Java内存模型—原书第2章

1. 内存模型总览

   

   其中方法区和堆是线程共享内存，Java虚拟机栈、本地方法栈以及PC是线程私有区域。

2. 程序计数器
   
   • 当前线程的字节码行号指示器
   • 控制程序的分支、循环、跳转、异常处理及县城恢复等基础功能
   • Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器时间片来实现
   • 是唯一一个没有规定OOM的内存区域
3. Java虚拟机栈
   
   • 生命周期和线程相同
   • 描述了Java方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会创建一个栈帧来存放局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，当前正在执行的方法成为当前帧，一个方法的执行过程，其实就是方法帧入栈和出栈的过程
   • 局部变量表存放了：基本数据类型数据、对象引用、方法返回地址，而且局部变量表的内存在进入方法时是完全确定的，不会动态修改
   • StackOverFlowError异常：线程请求的深度大于虚拟机所允许的最大深度
   • OutOfMemoryError异常：虚拟机栈动态扩展时没有可用内存时
4. 本地方法栈
   
   • 类似Java虚拟机栈，区别是 本地方法栈是为操作系统的本地方法服务
   • HotSpot虚拟机将两者合二为一
5. 堆
   
   • 对象实例及数组对象的内存都在此分配，也是GC的主要区域
   • OutOfMemoryError
6. 方法区
   
   • 存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、类的Class对象引用等信息
   • 运行时常量池：存放编译期生成的各种字面变量、符号引用、直接引用等
   • OutOfMemoryError
7. 直接内存
   
   • 不属于JVM的运行时数据区
   • NIO可以只要Native方法直接分配对外内存，然后使用DirectByteBuffer进行引用。

二、HotSpot虚拟机的对象–原书第2.3章节

1. 对象创建
   
   • 遇到new指令时，首先去方法区的常量池里查找该类的符号引用，并坚持该类的类型数据是否已经被加载、解析和初始化过；如果没有则进行类加载；
   • 类加载通过后，在堆中为对象分配内存：指针碰撞法、空闲列表法
   • 对属性进行初始化，赋初值
   • 设置对象头
   • 执行方法
2. 对象的内存布局
   
   • 对象头：
   • 存储对象自身的运行时数据：哈希码、GC分代年龄、锁状态标识、线程持有的锁的名号
   • 类型指针：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过该指针来确定对象是哪个类的实例
   • 实例数据
   • 填充数据
3. 对象的访问定位：Java栈的本地变量表里存储着对对象实例的引用(reference)，引用可能指向句柄，也可能直接指向实例地址
   
   • 句柄
   • 直接访问

三、垃圾回收算法

垃圾回收算法要解决三个问题：
1.哪些内存需要回收？
2.什么时候回收？：内存不足，引发GC动作
3.如何回收

对于第一个问题，有如下两种方法：

• 引用计数算法：对象被引用+1，引用失效-1，当引用为0时，被标记为可回收
  
  • 优点：实现简单，效率很高
  • 缺点：难以解决对象之间的相互循环引用问题
• 可达性分析算法：以“GC Roots”为起点，向下搜索，走过的路径称为引用链，如果一个对象到GC Roots没有引用链，则可以标记为可回收。可以作为GC Roots的对象：
  
  • 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
  • 方法区中静态变量引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • JNI引用的对象

对于第三个问题，算法如下：

1. 标记-清除算法：第一步，根据可达性分析，标记处所以需要回收的对象；第二步，回收标记的对象内存。
   缺点：

   • 效率不高，无论是标记还是回收；
   • 产生空间碎片，容易再次引起GC动作

2. 复制算法：把内存分为相同的两块儿，每次使用其中一块，标记完成后，把存活的对象复制到另一块内存中。
   优点：

   • 提高了效率
   • 解决了内存碎片化问题
     缺点：内存浪费严重

3. 改进的复制算法：改进了复制算法的空间浪费，将内存分为8：1：1的三份，分别命名为Eden、Survivor From和Survivor To，其中的Eden+Survivor两块内存用于分配内存和GC，标记以后，把存活的对象复制到另一块儿Survivor的内存上，加入Survivor内存不够存放这些存活的对象，则向老年代进行分配担保。 适用于新生代这种绝大部分对象都是朝生暮死的情况，对于老年代这种就不适用了。

4. 标记-整理算法：类似 标记-清除 算法，与之不同的是，标记之后不是直接清除，而是将存活的对象向一端移动，然后清除掉边界以外的内存。

5. 分代收集算法：即对象存活率高的地方，如老年代，使用标记-整理算法，称为Major GC/Full GC；对象存活率低的地方，如新生代，使用改进的复制算法，称为Minor GC

HotSpot的算法实现

垃圾收集器

1. Serial收集器：最古老的单线程收集器，作用于新生代，使用复制算法；工作时需暂停其他所有工作线程；可以与CMS收集器配合使用
   
   • 优点：单CPU或客户端时，简单而高效
   • 缺点：在多核CPU中表现不好
2. ParNew收集器：Serial的多线程版本，作用于新生代，可与CMS收集器配合使用
3. Parallel Scavenge收集器：类似ParNew的多线程收集器，作用于新生代；关注点在于系统的吞吐量，使用最大停顿时间和吞吐量大小两个参数来控制；GC的自适应调节策略。
   
   • 停顿时间越短就越是和与用户交互的程序，提升用户体验
   • 高吞吐量可以高效地利用CPU时间，尽快完成计算
4. Serial Old收集器：单线程的收集器，作用于老年代，用于标记-整理算法。
5. Parallel Old收集器：注重吞吐量的多线程收集器，作用于老年代，可以和Parallel Scavenge配合使用

6. CMS收集器：Concurrent Mark Sweep收集器，注重于缩短回收停顿时间；使用标记-清除算法，步骤如下：

   • 初始标记：标记GC Roots可以直关联到的对象，速度很快；需要Stop The World
   • 并发标记：标记引用链，并发执行，不需要暂停
   • 重新标记：修正并发标记期间的变动；Stop The World
   • 并发清除：耗时最长，并发执行

   优点：并发收集、低停顿
   缺点：

   • 对CPU资源敏感：降低系统吞吐量
   • 无法收集浮动垃圾：并发收集过程中，用户现场会产生新的垃圾，被称为“浮动垃圾”，无法再本次收集过程中进行清除，而出现Concurrent Mode Failure导致再次Full GC；阈值68%的时候启动收集，可调节，不宜太高；
   • 基于标记-清除算法，导致内存碎片无法为大对象分配内存而再次Full GC；合并整理参数；

7. G1收集器：Garbage First，1.7正式商用。
   特点：

   • 并行与并发：多线程，低停顿
   • 分带收集：独立管理老年代和新生代
   • 空间整理：整体上看是 标记-整理算法；从局部(两个Region之间)看是 复制 算法，不会产生空间碎片
   • 可预测的停顿

   内存结构：将堆内存分为多个大小相等的独立区域(Region)，保留新生代和老年代的概念，但物理上是不再隔离了，是一部分Region的集合；可以有计划地避免全区域的GC，使用Remembered Set来记录引用信息，避免全堆扫描。
   步骤：

   • 初始标记：
   • 并发标记：
   • 最终标记：
   • 筛选回收：

内存分配和回收策略

1. 对象优先在Eden分配
2. 大对象直接进入老年代
3. 长期存活的对象将进入老年代
4. 动态对象年龄判断
5. 空间分配担保

四、虚拟机类加载机制–原书第7章

1. 加载过程解析
2. 类加载器
   
   • 类和类加载器：对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和类本身一起来确定这个类在JVM中的唯一性
   • 双亲委派模型：使用组合关系而非继承来确定父子关系和复用父类加载器的代码；加载请求都先交给父类加载器进行加载，如果父类加载器表示无法加载，子类加载器才尝试加载，这样会保证一种具有优先级的层次关系。越基础的类由越上层的类加载器进行加载

五、JIT

六、Java内存模型和线程并发

1. 内存模型：线程只和自己对于的工作内存交互，对于变量的读取和写入由工作内存和主存进行交互
2. 内存见交互操作(原子操作)
   
   • lock(锁定)：作用于主存变量，把一个变量标志为一条线程独占的状态
   • unlock(解锁)：
   • read(读取)：作用于主存的遍变量，把一个变量的值从主存中传输到线程的工作内存，以便load动作使用
   • load(载入)：作用于工作内存的变量，把read读取的变量放入工作内存的变量副本(拷贝)中
   • user(使用)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量的值传递给执行引擎
   • assign(赋值)：作用于工作内存的变量，把执行引擎的值赋值给工作内存中的变量
   • store(存储)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量的值传递到主存中，以便后续的write操作使用
   • write(写入)：作用于主存的变量，把store的变量放入主存的变量中
3. volatile关键字：轻量级锁，强制读取主存变量的值，并强制立即写回主存

七、线程安全和锁优化