JVM相关知识

Java中的JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机）是一个抽象的计算机，它提供了一个运行时环境来执行Java字节码。JVM的结构清晰且复杂，主要包括以下几个关键组件：

1. 类加载器（Class Loader）

功能：负责将Java类文件加载到内存中，并生成对应的Class对象。它是Java实现动态性和灵活性的关键之一。

加载过程：包括加载（Loading）、链接（Linking，分为验证、准备和解析三个阶段）和初始化（Initialization）三个阶段。

2. 运行时数据区域（Runtime Data Area）

这是JVM在执行Java程序时用于存储各种数据的内存区域，主要包括：
方法区（Method Area，在Java 8及以后被元空间取代）：存储已被虚拟机加载的类的信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，是线程共享的。

• 字符串常量池：Java中用于存储字符串字面量的一个特殊区域，它位于方法区（在Java 8及之前的版本）或元空间（在Java 8及之后的版本）中。

本地方法栈 （Native Method Stack）：为Java虚拟机使用到的Native方法服务，与Java虚拟机栈类似，但用于执行本地方法，也是线程私有的。
虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：每个Java方法在执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，是线程私有的。

• 栈帧内部名词解释

• 局部变量表（Local Variable Table）

  局部变量表用于存储方法的局部变量和参数。这些变量在方法执行期间有效，并在方法结束时被销毁。局部变量表的大小在编译期间就确定了，因此在方法调用时会分配足够的空间来存储这些变量。每个局部变量占用一个或多个变量槽（Variable Slot），具体取决于变量的数据类型。例如，int、float等32位以内的数据类型占用一个槽，而long、double等64位的数据类型占用两个槽。

• 操作数栈（Operand Stack）

  操作数栈用于存放方法执行过程中的操作数和中间结果。它是一个后进先出（LIFO）的数据结构，用于支持方法的计算过程。在方法执行时，指令会从操作数栈中取出操作数，执行计算、赋值等操作，然后将结果再次存入操作数栈中。每个栈帧都有一个独立的操作数栈，多个栈帧之间不共享操作数栈。

• 动态链接（Dynamic Linking）

  动态链接用于存储方法调用过程中的符号引用和直接引用的关系。在Java中，方法的调用是通过符号引用来表示的，这些符号引用在类加载期间被解析为直接引用。动态链接就是在运行时将这些符号引用转换为直接引用的过程。它支持方法的动态调用和多态性。

• 方法返回地址（Return Address）

  方法返回地址用于存储方法执行完成后需要返回到的调用者的地址。当方法执行完毕后，JVM会根据这个地址将控制权返回给调用者。这是实现方法调用的重要机制之一。

• 附加信息（Additional Information）

  除了上述主要组成部分外，栈帧还可能包含一些附加信息，如方法调用者的信息、方法的访问权限、异常处理表等。这些信息用于支持方法的执行和异常处理。

Java堆（Java Heap）：存储Java对象实例和数组，是Java程序运行时的动态内存区域，也是垃圾收集器管理的主要区域。堆通常分为新生代、老年代和永久代（在Java 8及以后被元空间取代）。

• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：每个类或接口在编译时生成一个对应的常量池表，在运行时被加载到方法区的运行时常量池中。在Java 8及以后，运行时常量池被移到了堆中。

程序计数器 （Program Counter Register）：存储当前线程执行的字节码指令地址，是线程私有的。
直接内存（Direct Memory）：通过NIO库可以直接使用的内存，不受Java堆的限制，也不受垃圾回收的管理。

3. 执行引擎（Execution Engine）

功能：负责执行字节码，包括解释器和即时编译器（JIT）等。解释器逐条解释执行字节码，而JIT则可以将热点代码编译成机器码以提高执行效率。

4. 垃圾回收器（Garbage Collector, GC）

功能：自动管理内存，回收不再使用的对象，释放内存空间。JVM提供了多种垃圾回收算法和回收器，如标记-清除、复制、标记-整理以及分代收集等，以适应不同的应用场景和需求。

Minor GC默认处理机制

Minor GC主要处理新生代（Young Generation）中的垃圾回收。新生代通常包括Eden区和两个Survivor区（Survivor From和Survivor To）。以下是Minor GC默认的处理机制：

• 标记复制算法：
  Minor GC通常使用标记复制算法。该算法首先标记出新生代中存活的对象，然后将这些对象复制到一个空闲的Survivor区或老年代中。
  复制过程完成后，原来的Eden区和Survivor区中的对象将被清空，用于下一次对象的分配。
  垃圾回收器选择：
  不同的JVM实现和版本可能选择不同的垃圾回收器作为Minor GC的默认实现。
  例如，在Java 8之前的HotSpot JVM中，Serial和Parallel垃圾回收器是常用的Minor GC实现。
  在Java 8及之后的版本中，G1（Garbage-First）垃圾回收器成为了一种流行的选择，因为它提供了更好的性能和可预测性。

Full GC默认处理机制

Full GC处理整个堆内存（包括新生代和老年代）以及方法区（在Java 8之前为永久代PermGen，之后为元空间Metaspace）中的垃圾回收。以下是Full GC默认的处理机制：

• 标记清除或标记整理算法：
  Full GC通常使用标记清除或标记整理算法。标记清除算法首先标记出堆内存中的存活对象，然后清除未标记的对象。
  标记整理算法在标记存活对象后，还会对存活对象进行整理，以消除内存碎片。
  需要注意的是，不同的垃圾回收器可能会选择不同的算法。例如，CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器使用标记清除算法，而G1垃圾回收器则使用标记整理算法。
  垃圾回收器选择：
  与Minor GC类似，Full GC的默认实现也取决于JVM的具体实现和版本。
  在Java 8之前的HotSpot JVM中，CMS垃圾回收器是一种流行的Full GC实现，因为它旨在减少停顿时间。
  在Java 8及之后的版本中，G1垃圾回收器成为了默认的Full GC实现，因为它提供了更好的性能和可预测性。
  触发条件：
  Full GC的触发条件包括老年代空间不足、方法区空间不足、显式调用System.gc()方法（尽管这只是一个建议，JVM不一定会立即执行Full GC）等。
  当触发Full GC时，JVM会暂停所有应用程序线程（Stop-the-World），以对整个堆内存进行垃圾回收。

5. Java中常见垃圾收集器的执行过程

• Serial收集器

  Serial收集器是一个单线程的垃圾收集器，它在进行垃圾收集时，会暂停所有的应用线程（Stop-The-World，简称STW），直到垃圾收集工作完成。这个过程主要分为以下几个阶段：
  标记阶段：从GC Roots出发，标记所有可达的对象。
  清除阶段：遍历堆内存，清除所有未标记的对象。

  由于Serial收集器是单线程的，因此它的垃圾收集效率相对较低，适用于内存较小、对性能要求不高的应用。

• Parallel收集器

  Parallel收集器是一个多线程的垃圾收集器，它使用多个线程并行地进行垃圾收集，以提高垃圾收集的效率。Parallel收集器的执行过程与Serial收集器类似，但它是多线程并行的。
  年轻代收集：使用并行复制算法，将存活的对象从一个Survivor区复制到另一个Survivor区或老年代。
  老年代收集：使用并行标记-压缩算法，标记所有可达的对象，并压缩堆内存中的空闲空间。

  Parallel收集器适用于多线程、对吞吐量有较高要求的应用。

• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

  CMS收集器是一个以最小化停顿时间为目标的垃圾收集器。它采用并发标记和并发清除的方式进行垃圾回收，以减少应用程序的停顿时间。

  CMS收集器的执行过程如下：
  初始标记阶段：STW，标记GC Roots直接可达的对象。 并发标记阶段：与应用线程并发执行，标记所有可达的对象。
  重新标记阶段：STW，处理并发标记阶段产生的所有新引用，并标记这些新引用的对象。 并发清除阶段：与应用线程并发执行，清除所有未标记的对象。

  CMS收集器的优点在于能够显著降低应用程序的停顿时间，但缺点是可能会占用较多的CPU资源，并且可能会产生内存碎片。

• G1（Garbage-First）收集器

  G1收集器是一个面向大内存、需要低停顿时间的应用的垃圾收集器。它将堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），并优先处理垃圾最多的区域。G1收集器的执行过程如下：
  并发标记阶段：与应用线程并发执行，标记所有可达的对象，并计算每个区域的垃圾比例。
  混合回收阶段：根据设置的停顿时间和垃圾比例，选择部分年轻代区域和部分老年代区域进行回收。回收时，将存活的对象复制到其他区域，并更新指向已回收区域的对象引用。
  并发整理阶段：在必要时，对老年代进行并发整理，以减少内存碎片。

  G1收集器的优点在于能够动态调整堆内存的使用，降低停顿时间，并提供可预测的垃圾回收性能。但缺点是配置和调优相对复杂。

• ZGC和Shenandoah收集器

  ZGC和Shenandoah收集器是Java后续版本中引入的低延迟垃圾收集器。它们采用了一些先进的技术，如染色指针、内存多重映射等，以实现极低的停顿时间。
  ZGC收集器

  ZGC收集器基于Region内存布局，不设分代，使用读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现标记-整理算法。它的停顿时间可以控制在几毫秒以内。
  Shenandoah收集器
  （注意：在某些版本的JVM中可能已经被移除或替换为其他收集器）

  Shenandoah收集器也采用了类似的并发标记和整理技术，旨在提供低延迟的垃圾回收性能。