JVM原理

在这里插入图片描述

java 代码执行过程

● 1.用javac代码编译为class
● 2.装载class ClassLoader
● 3.执行class，包括解释执行和编译执行

内存管理

jvm 内存区域

程序计数器（线程私有）
空间相对比较小，为数不多不会发送OutofMemoryError，如果正在执行java方法的话，计数器记录的是虚拟机字节码指令（当前指令的地址），如果是native的方法，则为空

虚拟栈（线程私有）
是描述 java 方法执行的内存模型，每个方法在执行的同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。每一个方法从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入栈到出栈的过程。栈帧( Frame)是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接 (Dynamic Linking)、方法返回值和异常分派( Dispatch Exception)。栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成(抛出了在方法内未被捕获的异常)都算作方法结束。

本地方法区(线程私有)
本地方法区和 Java Stack 作用类似, 区别是虚拟机栈为执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则为 Native 方法服务, 如果一个 VM 实现使用 C-linkage 模型来支持 Native 调用, 那么该栈将会是一个 C 栈，但 HotSpot VM 直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

堆(Heap-线程共享)-运行时数据区
是被线程共享的一块内存区域，创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中，也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域。由于现代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区)和老年代
方法区/永久代(线程共享)
即我们常说的永久代(Permanent Generation), 用于存储被 JVM 加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据. HotSpot VM 把 GC 分代收集扩展至方法区, 即使用 Java 堆的永久代来实现方法区, 这样 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存, 而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载, 因此收益一般很小)。
运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池。
用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。 Java 虚拟机对 Class 文件的每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。
注意：
在 Java8 中，永久代已经被移除，被一个称为“元数据区”(元空间)的区域所取代。元空间的本质和永久代类似，元空间与永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入 native memory, 字符串池和类的静态变量放入 java 堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由 MaxPermSize 控制, 而由系统的实际可用空间来控制。

内存空间
● 方法区
● 堆
● 方法栈
● 本地方法栈
● pc寄存器
内存分配
● 堆上分配
● TLAB（Thread Local Allocation Buffer）分配 https://blog.csdn.net/xiaomingdetianxia/article/details/77688945
● 栈上分配

内存回收
内存回收算法
● copy（复制算法）
● mark-Sweep（标记清除算法）
● mark-compact（标记整理算法）
● 分代回收
○ 新生代可用的GC
■ 串行Copying
■ 并行回收Copying
■ 并行Copying
○ 旧生代可用的GC
■ 串行Mark-Sweep-Compact
■ 并行Compacting
■ 并发mark-sweep
内存状况分析
● jconsole
● visualvm
● jstat
● jmap
● MAT

线程同步和交互机制
● 线程资源同步
○ 线程资源执行机制
○ 线程资源同步机制
■ Synchronized
■ lock/unlock的实现机制
○ 线程交互机制
■ Object.wait/notify/notifyAll
■ 并发提供的交互机制
● semaphore
● counteddownlatch
○ 线程状态以及分析方法
■ jstack
■ TDA

JVM 内存区域

线程私有（thread local）
● 程序计数器PC 指向虚拟机字节指令的位置，唯一一个无OOM的区域
● 虚拟机VM stack
○ 虚拟机栈和线程的生命周期
○ 一个线程中，每调用一个方法创建一个栈帧（Stack Frame）
○ 栈帧的结构
■ 本地变量表 Local Variable
■ 操作数栈 operand stack
■ 对运行时常量池的引用（Runtime Constant Pool Reference）
● 异常
○ 线程请求的栈深度大于JVM所允许的深度StackOverflow
○ 若JVM允许动态扩展，若无法申请到足够内存（OutOfMemoryError）
● 本地方法栈异常
○ 线程请求的栈深度大于JVM所允许的深度StackOverflow
○ 若JVM允许动态扩展，若无法申请到足够内存（OutOfMemoryError）
线程共享（thread shared）
● 方法区（永久代）Method Area 运行时常量池 Runtime Constant Pool
● 类实例区（Java堆）Objects
● 直接内存（Direct Memory）不受JVM GC管理

Java堆从GC角度可以细分为新生代（Eden区、From Survior区和To Survior区）和老年代
● Eden 区
Java 新对象的出生地(如果新创建的对象占用内存很大，则直接分配到老年代)。当 Eden 区内存不够的时候就会触发 MinorGC，对新生代区进行一次垃圾回收。
● ServivorFrom
上一次 GC 的幸存者，作为这一次 GC 的被扫描者
● ServivorTo
保留了一次 MinorGC 过程中的幸存者

永久代

指内存的永久保存区域，主要存放 Class 和 Meta(元数据)的信息,Class 在被加载的时候被放入永久区域，它和和存放实例的区域不同,GC 不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的 Class 的增多而胀满，最终抛出 OOM 异常。在 Java8 中，永久代已经被移除，被一个称为“元数据区”(元空间)的区域所取代。元空间的本质和永久代类似，元空间与永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入 native memory, 字符串池和类的静态变量放入 java 堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由 MaxPermSize 控制, 而由系统的实际可用空间来控制。

如何确定垃圾
引用计数法
在 Java 中，引用和对象是有关联的。如果要操作对象则必须用引用进行。因此，很显然一个简单的办法是通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单说，即一个对象如果没有任何与之关联的引用，即他们的引用计数都不为 0，则说明对象不太可能再被用到，那么这个对象就是可回收对象。
注意这种有循环引用的风险。
可达性分析
为了解决引用计数法的循环引用问题，Java 使用了可达性分析的方法。通过一系列的“GC roots”
对象作为起点搜索。如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。
要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。
可作为GCRoot的对象包括以下几种:
● 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）
● 方法区类静态属性引用的对象
● 方法中常量引用的对象
● 本地方法栈中的JNI（Native方法）引用的对象

再谈引用
● 强引用
Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因。

● 软引用
软引用需要用 SoftReference 类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它
不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

● 弱引用
弱引用需要用 WeakReference 类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象
来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。

● 虚引用
虚引用需要 PhantomReference 类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

新生代与复制算法

目前大部分 JVM 的 GC 对于新生代都采取 Copying 算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，即要复制的操作比较少，但通常并不是按照 1:1 来划分新生代。一般将新生代划分为一块较大的 Eden 空间和两个较小的 Survivor 空间(From Space, To Space)。

老年代与标记复制算法
老年代因为每次只回收少量对象，因而采用 Mark-Compact 算法。
● Java虚拟机提到过处于方法区的永生代，用来存储class类，常量，方法描述（待检查）
● 对象的内存分配主要在新生代的Eden Space和Survivor Space的From Space（Survivor目前存放对象的那一块），少数情况会直接分配到老生代
● 当新生代Eden Space和From Space空间不足就会发生一次GC，进行GC后，Eden Space和From Space区的存活对象就会挪到To Space，然后将Eden Space和From Space进行清理
● 如果ToSpace无法足够存储某个对象，则将这个对象存储到老生代
● 进行GC后，使用的便是Eden Space和To Space了，如何反复循环。
● 当对象Survior区躲过一次GC后，其年龄就会+1，默认情况下年龄达到15对象就会移到老生代中。

分区GC算法
分区算法则将整个堆空间划分为连续的不同小区间, 每个小区间独立使用, 独立回收. 这样做好处是可以控制一次回收多少小区间根据目标停顿时间, 每次合理地回收若干个小区间(而不是整个堆), 从而减少一次 GC 所产生的停顿。

GC什么时候回收内存
即使在可达性分析算法中不可达的对象，并不是马上回收，而是进入“缓刑阶段”。至少要经过两次标记。