一、什么是 JVM
JVM（Java 虚拟机）是 JRE（Java 运行时环境）的核心模块。其实称为虚拟机有夸大的嫌疑，因为虚拟机是用软件模拟计算机硬件构造出一个虚拟的电脑，甚至能在上面安装操作系统。而 JVM 只是能将编译好的 .class 文件翻译成 CPU 能识别的指令 ，所以用 Java 运行时称呼更准确。这种机制让 Java 比起 C、C++、Go 效率更低 ，因为后者只需编译一次代码就能得到 CPU 能识别的指令。但是能够跨平台：不同操作系统提供的 api 不同，需要改写 api 调用的逻辑、不同 CPU 的架构不同，编译出来的 CPU 指令不同（现在常见的 CPU 架构：电脑的 x86；手机的 ARM）。基于上面两点，C++ 就很难做到跨平台。而 Java 提供了各种版本的 JVM，比如：Windows x86、Windows arm、Linux x86、Linux arm......程序员只需要写一套代码，下载对应版本的 JVM 就能兼容所有环境。
运行一个 Java 程序的过程：
- 编写代码，一个 .java 文件，对应了多个类。
- 使用 javac 命令行工具，将 .java 文件编译成 .class 二进制的字节码文件，一个 .class 对应一个类。
- 使用 java 命令行工具，运行指定路径下的.class 文件，对应了一个 JVM 的进程 ，其任务就是将 .class 文件的内容翻译执行。
二、JVM 的内存区域划分
Java 程序运行，得到进程 ，需要分配内存空间 ，不同区域有不同的功能。
1、程序计数器
空间小，用于存储字节码文件中下一条执行指令的地址 。CPU 指令默认是顺序执行，但 while、if、抛出异常等语句需要跳转，所以需要存储该地址。而地址指向的内容，就存放在元数据区。每个线程的程序计数器不同，因为线程的调度，需要保护上下文，因此要分别保存地址（线程私有）。
2、元数据区
在 Java 8 前称为方法区。存储类对象的结构信息 （字节码文件通过二进制描述了该内容）：类的名字、类的父类、类实现的接口、类的静态成员（名称、类型、修饰词）、类的方法（名称、参数列表、返回值、修饰词）、常量。Java 反射机制通过 类名.class 获取类对象。（线程共享）
3、栈
存储方法的调用关系 ，保证在方法执行结束后，返回上一层调用位置继续执行。栈中的每个元素都是一个栈帧 ，描述了方法的参数、方法的局部变量、方法的返回值、方法返回到的地址。从调试信息可以看到，每个线程都有一个栈（线程私有 ），部分线程栈的信息无法查看，是因为这部分是本地方法栈 ，就是用 C++ 代码实现的 JVM 的内容。我们能打断点查看的是 JVM 栈。
4、堆
存放 new 出来的对象 、非静态成员 （实例属性）、对象头 （和对象相关的信息，如加锁，锁就是对象）。常量以前放在元数据区，后来放到了堆里。
内存空间最大的就是堆；栈比较小，具体看线程个数、线程中方法调用层次；元数据区中等，具体看类、类属性、方法多不多。程序计数器最小，固定 8 字节。
三、JVM 的类加载机制
理解性记忆
指把类从硬盘中的 .class 文件里加载到内存中构造为类对象的过程 。具体步骤官方有描述，版本一，三步。版本二，五步（把版本一第二步拆成了三步）。类加载的过程属于懒汉模式 ，第一次用的时候才加载：new 某个类的实例；调用某个类的静态成员、方法；使用某个类的子类。
1、加载
- 根据代码中编写的"全限定类名"（报名+类名）找到 .class 文件。
查找方法涉及到"双亲委派模型"：
这个命名不准确，单亲委派模型更恰当。JVM 中有一个类加载器模块，里面有三种类加载器：
1）Bootstrap ClassLoader：负责在 Java 标准库查找。
2）Extension ClassLoader： 负责在 Java 扩展库查找（JDK 厂商自行扩展的功能）。
3）Application ClassLoader： 负责在 Java 第三方库和当前项目中查找。
每个类加载器存储了一个类似指针的 parent 属性，用于标记父亲是谁：
假设加载一个 com.sogou.Test 类（自定义的）：类加载器调用入口》A 加载器》E 加载器》B 加载器》B 没查找到》E 没查找到》A 查找到了。如果还没找到，就会抛出异常。其实也可以不经过从下往上，直接从上往下走，只不过 JVM 是这样实现的。
目的：确保三个类加载器的优先级，Bootstrap ClassLoader 最高。当自定义全限定类名与标准库的类名冲突，优先使用标准库的类。
- 打开文件，读取内容到内存。
- 按数据格式解析文件。
JVM 规范官方文档：Java SE Specifications，找比较稳定的版本。查看字节码文件格式。
读取 u4，读取 4 字节作为 magic......
2、验证
校验 按照上述格式解析出来的内容是否合法。
3、准备
给类对象申请内存空间 ，该空间未初始化，全为 0（自动设为 0 了，不同于 C++ 是随机值，有性能代价）。
4、解析
对代码中的常量进行初始化。将 .class 中的常量值加载到内存。
5、初始化
加载类的静态成员的值 ，并执行静态代码块 ，加载父类、接口。（加载过了不重复加，没加就加）
区别于类加载，局部变量在用的时候分配空间和初始化；实例、非静态成员在 new 对象的时候。
四、JVM 的垃圾回收机制
1、什么是 GC
GC 就是垃圾回收机制，减少程序员的工作量，避免内存泄漏 ，自动回收不再使用的内存空间。像 C/C++ 追求高性能，没有 GC 机制（GC 时，其它的线程暂停工作，导致 STW（stop the world）问题），动态申请内存空间后需要手动释放，在释放前可能会有 return、抛出异常的逻辑，导致最后没有释放，造成内存泄漏。
2、GC 释放哪个区域的内存
以对象为单位 释放堆区域的内存空间。为什么以对象为单位：如果以字节为单位，则要区分每个对象的哪些字节是不用的，实现过程更加麻烦。
3、如何回收
3.1、找出哪些对象是垃圾
没用用的对象是垃圾，即没用引用指向的对象。两个算法：
（1）引用计数【Java 没用】
在每个对象里，有一块区域存放被引用的个数，引用一次增1，引用去掉减1，当引用个数为 0 则释放。
但这种方法存在2个问题：
- 内存空间浪费：有一部分空间是计数器，如果对象本身就很小，内存空间有效利用率就很低。
- 循环引用问题：无法释放循环引用的对象的内存空间。
此时没有任何引用指向这两个对象，但因为引用计数器不为 0，无法被释放。
Python、PHP 等使用该策略，但搭配了其它识别循环引用的算法。
（2）可达性分析【Java 使用】
从一些特殊的引用（未在堆上的引用：栈上的局部变量、元数据区的非静态成员、常量池里的常量）作为 GC roots 开始扫描，能达到的对象标记为"可到达"，然后 JVM 获取包含所有对象的列表，去掉"可到达"对象，身下的就是垃圾对象。
此时 c 没有引用不可到达，导致 f 也不可到达。
这种策略没有使用多余的空间，没不存在循环引用问题，但扫描会消耗更多时间。
3.2、释放垃圾对象的内存
内存回收，涉及几种算法：
（1）标记-清除
标记：可达性分析。
清除：直接释放垃圾对象。
问题 ：内存碎片化，可用内存不连续，无法申请较大的内存空间。
（2）复制算法
复制：将内存空间一分为 2，一边使用，一边不使用。假设左边放了很多对象，将左边有用的对象移到右边，左边全部释放。
问题 ：解决了内存碎片化 ，但浪费了大量空间 ，并且复制的开销很大（有用对象很多/很大时）。
（3）标记-整理
整理：类似顺序表搬运，将后面有用的对象按顺序移到前后，后面的空间全部释放。
问题 ：解决了碎片化，没有浪费空间，但复制开销仍然很大。
（4）分代回收（综合版）
分区：年轻代（包含一个伊甸区，存放新生；两幸存区，同一时刻只用一个）、老年代，认为老年代更不可能是垃圾（要死早死了）。
按分区特点执行不同扫描频率：可达性分析要不断扫描。老年代更不可能是垃圾，扫描频次更低（major GC）;年轻代频次更高（minor GC）。
转移分区的过程 ：新的对象放入伊甸区，经过一次扫描将可达对象放入幸存区。经过多轮扫描，剩余可达对象不断在两个幸存区 之间转移（复制算法 ）。最后扫描到一定轮次（一般是 15 轮），进入老年区。老年区 的垃圾回收机制是标记-清除/标记-整理。
特殊情况：对于占内存很大的对象，不适合复制，直接进入老年区。
