JVM快速入门

JVM

字节码

字节码文件的组成

字节码由五个部分组成：基础信息常量池字段方法属性

基础信息：

魔数、字节码文件对应的版本号、访问标识（public final）、该类的父类索引、该类实现哪些接口的索引

魔数：文件无法根据文件拓展名来确定文件类型的，文件拓展名可以随意修改，但不影响文件的内容，软件使用文件的头几个字节来校验文件类型，如果软件不支持该类型就会出错，在JAVA字节码文件中，将文件头几个字节称为魔数
主副版本号 ：主版本号用于表示大版本号，JDK1.0~1.1使用了45.0~45.3，JDK1.2是46之后每升级一个大版本就加1，副版本号是用作于当主版本号相同时区分不同版本的表示。

所以说JDK1.2以后版本计算方式为主版本号 - 44

版本是用作于检查字节码文件与当前的JVM版本是否兼容，高版本字节码无法使用低版本JVM编译

常量池 ：为了避免相同的内容被重复定义 常量池里面的数据都有一个编号，字段可以通过编号快速的找到对应的数据。字节码指令中通过编号引用到常量池的过程被称作符号引用。

字符串常量、类名、接口名、字段名主要用于字节码指令中使用

字段：当前类或者接口声明的字段信息

方法：将当前类或者接口声明的方法信息转换成字节码指令

java 复制代码

int i = 0;
i = i++;//请问最后 i 是几？

想要解决这个问题就要通过字节码指令来看了

字节码文件中方法是将方法信息转换成字节码指令的，这里也是一样对应的字节码指令

 iconst_0 //表示将 常量0 放到 操作数栈中 进行操作
 istore_1 //表示将 操作数栈中的数 加载到 局部变量表数组 中
 iload_1 //表示将 局部变量表中下标为1的数 存放到 操作数栈中
 iinc 1 by 1  //表示 将局部变量表中 对应的下标 增加操作
 istore_1 
 return

所以最后返回的是0，因为最后操作栈中的0覆盖了自增操作的1

如果是将代码修改成

int i = 0;
i = ++i;//请问最后 i 是几？

那么字节码文件就会变成

 iconst_0 //表示将 常量0 放到 操作数栈中 进行操作
 istore_1 //表示将 操作数栈中的数 加载到 局部变量表数组 中 
 iinc 1 by 1  //表示 将局部变量表中 对应的下标 增加操作
 iload_1 //表示将 局部变量表中下标为1的数 存放到 操作数栈中
 istore_1 
 return

最后返回1 没有覆盖操作

属性：类的属性，比如源码的文件名、内部类的列表等

类的生命周期

加载阶段

第一步是将类加载器根据类的全限定名通过不同的渠道以二进制流的方式获取到字节码信息
类加载器加载完类以后，Java虚拟机会将字节码中的信息保存到方法区中
生成InstanceKlass对象，保存类里面的信息，包含实现特定功能比如多态的信息
在堆里面生成一份与方法区中数据类似的Class对象，用于去获取类的信息以及存储静态字段的数据

在堆中的Class对象包含的信息只有方法区的Class对象的一部分，对于开发者来说只需要方法Class对象而不需要访问方法区中的所有信息，所以这么做是为了保证安全性才让开发者获取到一部分数据。

连接阶段

验证 -> 准备 -> 解析

验证：校验Java字节码文件是否遵循Java虚拟机规范中的约束
- 文件格式验证：例如将字节码的文件头修改以后就不能正常加载了
- 元信息验证：例如类中必须要有父类
- 验证程序执行指令的语义：方法内的指令执行跳转到不正确的位置
- 校验符号引用：是否访问了其它类中被private修饰的方法
- 校验版本号
准备阶段：
- 为静态变量分配内存并且设置初始值 0
- 为final修饰的变量分配内存并且赋值，因为final是常量，不会改变了，所以直接赋值
解析：
- 解析阶段主要是将常量池中的符号引用替换为直接引用
- 直接引用不在使用编号，而是使用内存中的地址直接进行访问

初始化阶段

初始化阶段会执行静态代码块中的代码并且为静态变量赋值

会执行字节码文件中 clinit部分的字节码指令

clinit是类的初始化方法 init是构造方法 main是主方法

举个例子：

首先将1放入到操作栈中，然后对Demo1中的value进行赋值

然后再将2放入到操作栈中，在对Demo1中的value进行赋值操作

类的初始化四种方式：

访问一个类的静态变量或者静态方法，如果变量是final修饰的并且右边是常量是不会触发初始化
调用Class.forName（String className）
new 一个该类的对象
执行Main方法的当前类

类的初始化顺序

执行Main方法的当前类先加载静态代码块 然后再执行代码块 最后执行构造方法

静态代码块是类的属性 所以在类加载的时候就会被执行，同样的只会被执行一次

实例代码块和构造方法只有在创建对象 的时候会被执行，执行顺序是 实例代码块->构造方法

不会执行clinit初始化指令执行的情况

无静态代码块切无静态变量赋值语句
有静态变量的声明但是没有赋值语句
静态变量的定义使用final关键字，这类变量会在准备阶段直接进行赋值

类加载器的分类

类加载器是Java虚拟机提供给应用程序区实现获取类或者接口字节码数据的技术

类加载器只参与加载过程中的字节码获取并且加载这一部分内容类加载器的分类

Java代码中实现

扩展类加载器 - 允许扩展Java中比较通用的类

应用程序类加载器 - 加载应用使用的类
Java虚拟机底层源码实现

启动类加载器 - 加载Java中最核心的类

启动类加载器Bootstrap

由Hotspot虚拟机提供使用 C++编写的类加载器

作用：默认加载Java安装目录/jre/lib下的类加载器为Java开发提供基础环境

使用类加载器去加载用户jar包，使用参数进行扩展使用 -Xbootclasspath/a:jar 包目录/jar包名进行扩展

扩展类加载器Extension

启动类加载器和扩展类加载器都是由JDK提供的，都继承自URLClassLoader

都具备通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中

默认加载Java安装目录下/jre/lib/ext下的类文件加载通用但是不重要的类

使用类加载器去加载用户jar包，使用参数进行扩展使用 -D/Java.ext.dirs=jar 包目录/jar包名进行扩展

应用程序类加载器Application

双亲委派模型

定义：双亲委派模型是为了解决类不被重复加载以及核心类不被覆盖

双亲委派模型的过程是：从下向上不断的检查该类有没有被加载过，如果没有就继续交给上一个类，不断检查。然后再从上到下不断地尝试去加载该类，只有当该类在自己的加载目录底下的时候，这个类才能被加载

打破双亲委派机制的三种方法

自定义类加载器

在继承类加载的方法中：
- loadClass 方法是类加载的入口提供双亲委派机制内部会调用findClass
- findClass 由类加载器子类实现，获取二进制数据调用defineClass ，比如URLClassLoader会根据文件路径获取类文件中二进制数据
- defineClass做一些类名的校验，然后调用虚拟机底层的方法将字节码信息加载到虚拟机内存中
- resolveClass执行类生命周期中的连接阶段
所以说双亲委派机制的核心代码就在loadClass方法中

核心代码
java 复制代码
```
if(parent != null){
    c = parent.loadClass(name,false);
}else{
    c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
if(c == null){
    c = findClass(name);
}
```
所以说使用自定义类加载器打破双亲委派机制的方法就是自定义一个类加载器并且重写loadClass方法

自定义类加载器的父加载器还是应用程序类加载器

如果两个自定义类加载器加载相同限定名的类不会发生冲突，只有在同一个JAVA虚拟机中使用相同类加载器 + 相同类限定名才会被认为是同一个类
线程上下文类加载器

以JDBC为例子，启动类加载器加载DriverManager，在从根源上谷歌呀DriverManger时，通过SPI机制加载Jar包中的mysql驱动，SPI中利用线程上下文加载器去加载类并且创建对象，这种由启动类加载器委派应用程序类加载器去加载类的方式，打破了双亲委派机制
Osgi框架的类加载器

允许同级的类加载器相互委托加载，OSGI还使用类加载器实现热部署的功能

热部署指的是服务不停止的情况下动态地更新字节码到内存中

JDK9之后的类加载器

JDK8以及之前的版本中，扩展类加载器和应用程序类加载器的源码位于rt.jar中的sun.misc.launcher.java中

JDK9以后引入了mdoule的概念，类加载器在设计上发生了很多变化，启动类加载器使用Java编写，位于jdk.internal.loader.Classloaders中，Java中的BootClassLoader继承自BuiltinClassLoader实现从模块中找到了要加载的字节码资源文件，启动类加载器依然无法通过java代码获取到，返回依然的是null保持统一

扩展类加载器替换成了平台类加载器

平台类加载器遵循模块化方式加载字节码文件，所以继承关系从URLClassLoader变成了BuiltinClassLoader实现了从模块中加载字节码文件，平台类加载器的存在更多的是为了与老版本设计方案兼容，自身没有特殊逻辑

运行时数据区

java虚拟机在运行java程序过程中管理的内存区域称之为运行时数据区

线程不共享 - 程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈

程序计数器

每个线程会通过程序计数器记录当前要执行的字节码指令的地址

在代码执行过程中，程序计数器会记录下一行字节码指令的地址。执行完当前指令以后，虚拟机的执行引擎根据程序计数器执行下一行指令。

作用：

根据程序计数器可以控制程序指令的进行，实现分支、跳转、异常等逻辑
在多线程环境下Java虚拟机通过程序计数器记录CPU切换前解释执行到那一句指令并继续解释运行

注意：程序计数器是不会发生内存溢出的，因为每个程序计数器只会记录固定长度的指令

Java虚拟机栈

采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据，先进后出，每一个方法的调用使用一个栈帧来保存

Java虚拟机栈随着线程创建而创建，而回收是在线程的销毁时进行的，由于方法可能会在不同线程中执行，每一个线程都会包含一个自己的虚拟机栈

栈帧的组成

局部变量表 - 是在运行过程中存放所有的局部变量

这就是局部变量，会存放到局部变量表中

局部变量表实际上是一个数组，数组中的每一个位置都被称为一个槽，long和double占用两个槽，其他类型占用一个槽

实例对象中序号为0的位置存放的是this，指的是当前调用方法的对象，运行时会在内存里面存放实例对象的地址

局部变量表中保存的内容还有方法参数，顺序和方法中参数定义的顺序一致

综上：局部变量中保存的内容有：实例方法的this对象、方法的参数、方法体中声明的局部变量

同时为了节省空间，局部变量表中的槽是可以复用的，一旦某个局部变量不再生效，当前槽可以再次被使用
操作数栈 - 栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放中间数据的一块区域，如果一条指令将一个值压入操作数栈，则后面的指令可以弹出并使用该值

在编译期就可以确定操作数栈的最大深度，从而在执行时正确的分配内存大小
帧数据 - 包含动态连接、方法出口、异常表的引用
- 当前类的字节码指令引用了其他类的属性和方法时，需要将符号引用转换成对应的运行时常量池中的内存地址而动态连接就保存了编号到运行时常量池的内存地址的映射关系
- 方法出口指的是方法在正确或者异常结束时，当前栈帧会被弹出。同时程序计数器应该指向上一个栈帧中的下一条指令的内存地址，所以在当前栈帧中，需要存储此方法出口的地址。
  
  sleep方法保存了下一个方法study方法开始的地址，在自己结束之前将这个地址交给程序计数器，在上一个栈帧中存放下一个方法的地址就被称为方法出口
- 异常表存放的是代码中异常的处理信息，包含了try代码块和catch代码块执行后跳转到的字节码指令位置
  
  存放的是代码出现异常的跳转，方便JVM快速的跳转

内存溢出

Java虚拟机栈会出现内存溢出的问题，如果内存溢出了就会报错StackOverFlow表示栈溢出了

如果我们不指定栈的大小，JVM会创建一个默认大小的栈，大小取决于操作系统和计算机体系结构

可以使用递归模拟栈溢出

可以使用 -Xss(栈大小) 来修改虚拟机栈的大小

Hotspot JVM 对栈的大小的最大值和最小值有要求

最小为180k最大为1024k

本地方法栈

本地方法栈存储的是native本地方法栈帧，Java虚拟机栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。本地方法栈会在栈内存上生成一个栈帧，零食保存方法的参数同时方便出现异常时也把本地方法打印出来

方法区

方法区是存放基础信息的位置，线程共享，包含三部分：

类的元信息 - 保存了所有类的基本信息

这部分会生成一个instanceklass文件存储在方法区中，在类的加载阶段完成
运行时常量池 - 保存了字节码文件中的常量池内容

通过编号查表的方式找到常量，这种常量被称作静态常量池

当常量池加载在内存中，通过内存地址快速的定位到常量池中的内容，这种常量池被称作运行时常量池

字符串常量池 - 保存了字符串常量池

JDK7及以前的版本将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆大小由虚拟机参数来控制

JDK8及以后的版本将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限可以一直分配，为了防止把内存占用完，可以使用 -XX:MAXMetaspaceSize = 值来限制元空间的大小

字符串常量池

方法区中除了类的元信息，运行时常量池外，还有一块字符串常量池

字符串常量池存储在代码中定义的常量字符串内容。比如"123"的123就会被存储在字符串常量池中

和常量池的关系

字符串常量池时属于运行时常量池的一部分，他们存储的位置是一致的，后续做出了调整，将字符串常量池和运行时常量池做了拆分

使用.intern()方法是可以手动将字符串放入字符串常量池中，分别在JDK6和JDK8下执行代码

JDK6中的结果false false 而JDK8的结果时true false

JDK6 的intern（）方法会把第一次遇到的字符串实例复制到永久代的字符串常量池中，返回的也是永久代里面这个字符串实例的引用。JVM启动时会把java加入到常量池中。

JDK7及以后版本中由于字符串常量池在堆上，所以intern()方法会把第一次遇到的字符串引用放入到字符串常量池中

堆

堆内存是空间最大的一块内存区域，创建出来的对象都存在堆上

栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的应用，通过静态变量可以实现对象在线程之间的共享

堆内存也是有上限的，如果超过了堆内存那么就会报内存溢出的错误

堆空间有三个需要关注的值

used指的是当前已经使用的堆内存
total是java虚拟机中已经分配的可用堆内存
max是java虚拟机中可以分配的最大堆内存

随着堆中的对象增多，当total可以使用的内存即将不足时，java虚拟机会继续分配内存给堆

但也不能无限扩张，total最多与max持平

并不是used = max = total的时候，堆内存才会溢出，内存溢出的条件判断比较复杂，在max还没到total的时候就会内存溢出了

如果不设置任何虚拟机参数，max默认时系统的1/4，total的默认值是系统内存的1/64。在实际应用中一般要设置max和total的值使用 -Xmx -Xmx 来进行设置，通过将total和max设置为相同的值，这样程序启动之后可使用的总内存就是最大内存，无需向java虚拟机再次申请，减少了申请并分配内存时间上的开销，同时也不会出现内存过剩之后堆收缩的情况

直接内存

直接内存并不属于Java运行时的内存区域，在JDK1.4中引入了NIO机制，使用直接内存，主要是为了解决

Java堆中的对象如果不再使用要回收，回收时会影响对象的创建和使用
IO操作读文件需要先将文件读取到直接内存中然后再把数据赋值到Java堆中。现在直接放入直接内存即可，直接维护堆上的直接内存引用，减少数据的赋值

如果使用到NIO就需要设置直接内存的大小了， -XX:MaxDirectMemorySize = 内存大小

垃圾回收

在C++中这类没有自动回收机制的语言里面，一个对象如果不再使用，需要手动释放，否则就会出现内存泄漏

内存泄漏指的是不再使用的对象在系统中未被回收，内存泄漏的积累可能会导致内存溢出

Java为了简化对象释放，引入了自动的垃圾回收机制，通过垃圾回收器来堆不再使用的对象完成自动回收，垃圾回收器不再使用的对象完成自动回收，垃圾回收器主要负责对堆上的内存进行回收。

垃圾回收对比

自动回收

优点：降低程序员实现难度，降低对象回收BUG的可能

缺点：程序员无法控制内存回收的及时性

手动回收

优点：回收及时性高，由程序员自己把握回收的时机

缺点：编写不当容易造成悬空指针，重复释放，内存泄漏等问题

应用场景

解决系统僵死问题 - 当系统一直处于处理垃圾回收那么用户的请求就无法正常响应
性能优化 - 对垃圾回收器进行合理的设置可以有效的提升程序的执行性能

回收对象

由于程序计数器本地方法栈虚拟机栈是线程独享的所以不会被垃圾回收器回收，他们随着线程创建而创建，线程销毁而销毁

而堆和方法区是存放公共对象所以会被垃圾回收器回收

方法区回收的主要是不再使用的类，如何判断在方法区上的一个类是否被回收需要满足三个条件
- 此类所有实例对象都已经被回收，在堆中不存在任何该类的实例对象以及子类对象
- 该类的类加载器已经被全部回收
- 该类对应的 Java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用
如何判断在堆上的对象是否可以被回收
- 根据堆里面的对象是否被引用来决定，如果对象被引用了，说明该对象还在被使用不能被回收
  - 引用计数法：引用计数法回味每一个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时加1，取消引用时减1
    - 每次引用和取消都需要维护计数器，对系统性能会有一定影响
    - 存在循环引用问题，所谓循环引用就是A引用B，B引用A导致对象无法被正常回收
      
      此时A的计数器是1而B的计数器是1 造成了内存泄露问题
      
      所以JVM没有使用引用计数法而是使用可达分析法！
  - 可达分析法：某个到GC Root对象是可达的，对象就不可被回收
    
    GC Root对象：
    - 线程Thread对象,引用线程栈帧中的方法参数、局部变量
    - 系统类加载器加载的java.lang.Class对象，引用类中的静态变量
    - 监视器对象，用来保存同步锁synchroized关键字持有的对象
    - 本地方法调用时使用的全局对象
  可达性算法中描述的对象引用，一般指的是强引用，如果有引用关系只要这层关系存在就不会被回收。除了强引用，还有其他的引用方式
  - 软应用：如果一个对象只有软引用关联到它，当程序内存不足时，就会将软引用中的数据进行回收
  - 弱引用：如果一个对象只有弱引用关联到它，无论内存情况如何，就会考虑将软引用中的数据进行回收
  - 虚引用：唯一的用途时当对象被垃圾回收器回收时可以接收到对应的通知
  - 终结器引用

垃圾回收算法

找到内存中存活的对象，释放不再存活的内存，使得程序能够再次利用这部分空间

垃圾回收是通过GC线程完成的，不管使用哪一种GC算法，都会有部分阶段需要停止所有的用户线程。这部分时间被称作STW

垃圾回收算法评判：

吞吐量：CPU用于执行用户代码的时间与CPU总执行时间的比值，即为执行用户代码时间 / 执行用户代码时间 + GC时间吞吐量数值越高垃圾回收效率越高
最大暂停时间：STW时间最短，用户使用系统时受到的影响越小
堆使用效率：标记清除算法-使用完整的堆内存复制算法-将堆内存一分为二。从堆内存使用情况来看，标记清除算法要优于复制算法

标记清除算法

将所有的存活对象进行标记，使用可达性分析算法，从 GCRoot 开始通过引用链遍历出所有的存活对象清除阶段，将内存中删除没有被标记也就是非存活对象

优点：实现简单，只需要在第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可

缺点：碎片化问题，由于内存是连续的，所以在对象被删除之后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。我如果需要的是一个比较大的内存空间，很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配

复制算法

准备两块空间From空间和T空间，每次在对象分配阶段，只能使用一部分空间

完整的复制算法的例子：

将堆内存分割成两块From空间和To空间，对象分配阶段，创建对象
在垃圾回收GC阶段，将From中存活对象复制到To空间
将GC Root关联的对象，搬运到To空间

优缺点：

复制算法只需要遍历一次存活对象赋值到To空间即可，比标记-整理算法少了一次遍历的过程，因而性能更好，但是不如标记清除算法，因为标记清除算法不需要进行对象的移动
复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中，所以对象之外的区域都是可用区域，不存在碎片化空间
每次只能让一半的空间来为创建对象使用

标记整理算法

按照可达性分析算法从GC Root开始引用连遍历出所有存活的对象
整理阶段，将存活对象移动到堆的一段。清理掉存活对象的内存空间

优缺点：

内存使用效率高：整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存
不会发生碎片化：在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间
整理效率不高

分代GC算法

分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代
老年代存放存活时间比较长的对象，年轻代存放存活时间比较短的对象

回收流程

分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入伊甸园区

随着对象在伊甸园区越来越多，如果伊甸园区满了，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代的GC，称为Minor GC或者Young GC

Minor GC会把需要的eden中和From需要回收的对象回收，把没有回收的对象放入To区

如果Minor GC后对象的年龄达到法制，最大值为15，对象就会被晋升成老年代

当老年代中空间不足时，无法放入新对象，先尝试Minor GC如果还是不足，就会触发Full GC，Full GC会对整个堆进行垃圾回收

为什么分代GC算法要把堆分成年轻代和老年代

系统中的大部分对象，都是创建出来之后很快就不能再使用了可以被回收，比如用户获取订单数据，订单数据返回给用户之后就可以释放了
老年代中会存放长期存活的对象，比如Spring中大部分的bean对象，在程序启动之后就不会被回收了
在虚拟机的默认设置中，新生代空间大小要小于老年代空间大小

通过调整年轻代和老年代的比例来适应不同类型的应用程序，提高内存利用率和性能

新生代和老年代使用不同的垃圾回收算法，新生代一般选择复制算法，老年代可以选择标记-清除和标记-整理算法，由程序员选择灵活度较高

分代设计中允许回收新生代，如果能满足对象分配的要求就不需要对整个堆进行回收，STW时间就会减少

垃圾回收器

Serial垃圾回收器

单线程串行回收年轻代的垃圾回收器

回收年轻代
使用复制算法
单CPU处理器下吞吐量非常出色
多CPU下吞吐量不如其他垃圾回收器，堆如果偏大会让用户线程处于长时间等待
是用于JAVA客户端程序或者硬件配置有限的场景

SerialOld垃圾回收器

单线程串行回收老年代的垃圾回收器

回收年轻代
标记-清理算法
单CPU处理器下吞吐量非常出色
多CPU下吞吐量不如其他垃圾回收器，堆如果偏大会让用户线程处于长时间等待
与Serial垃圾回收器搭配使用

ParNew垃圾回收器

使用多线程进行垃圾回收

回收年轻代
使用复制算法
多CPU处理器下停顿时间较短
吞吐量和停顿时间不如G1
适用于JDK8及以前的版本

CMS垃圾回收器

关注的是系统的暂停时间，允许用户线程和垃圾回收线程在某些步骤中同时执行，减少用户线程的等待时间

老年代
标记清除算法
系统由于垃圾回收出现的停顿时间较短，用户体检好
内存碎片化问题退化问题浮动垃圾问题
适用于系统中用户请求数据量大、频率高的场景'

步骤：

1.初始标记，用极短的时间标记出GC Roots能直接关联到的对象

2.并发标记，标记所有对象，用户线程不需要停止

3.重新标记，由于并发标记阶段有些对象会发生变化，存在错标，漏标等情况，需要重新标记

4.并发清理，清理死亡对象，用户线程不需要暂停

缺点：

由于使用了标记清除算法，在垃圾收集结束之后会出现大量的内存碎片，会在FullGC进行碎片整理
无法一次性处理浮动垃圾

PS垃圾回收器

是JDK8默认的年轻代垃圾回收器，多线程并行回收，关注的是系统的吞吐量，具备自动调整堆内存大小的特点

年轻代
复制算法
吞吐量高，而且手动可控，为了提高吞吐量，虚拟机会动态调整堆的参数
不能保证单次的停顿时间
后台任务，不需要与用户交互，并且容易产生大量对象

PS Old垃圾回收器