JVM结构原理与GC工作原理

jvm–结构原理

jvm主要由四个部分组成：类加载器、运行时数据区、执行引擎、本地接口

一、类加载器

在jvm启动时或在类运行时将需要的class加载到JVM中

类加载的过程

类从被加载到jvm的开始与到卸载的为止，共经历7个过程：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载（验证、准备、解析统称为连接（linking））。其中类的加载、验证、准备、初始化、卸载这五步的顺序是固定不变的，而解析阶段则不一定（他在某些情况下可在初始化之后再开始，java语言的运行时绑定）。

类初始化

1. 创建类的实例
2. 对类进行反射调用时，发现类未初始化，则需触发其初始化
3. 当初始化该类时，父类并未初始化，则需先初始化父类
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个执行的主类，虚拟机则先初始化该类

注：类的实例化和初始化是不同的概念

类的实例化：是指创建一个类的实例

类的初始化：是指类中的属性（如statis变量）赋初始值的过程，是类的生命周期中的一个过程 。

ClassLoader的等级加载机制

Java默认提供三个ClassLoader

**Bootrap ClassLoader:**启动类加载器，是指类加载层次中最顶层的类加载器，负责加载jdk中核心类库

Extension ClassLoader: 扩展类加载器，主要负责加载java的扩展类库，java虚拟机的实现会提供一个扩展目录，该类加载器在此目录里面查找并加载java类

APP ClassLoader: 系统类加载器，主要加载应用程序classpath目录下所有的jar和class文件。通常java应用的类都通过它来完成加载，可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

ClassLoader加载类的原理

ClassLoader是使用的双亲委托机制来搜索加载类的，每一个ClassLoader都有一个父类加载器的引用（非继承关系，组合关系），虚拟机内置的类加载器（Bootrap ClassLoader）本身没有父类加载器，但他可用作其他ClassLoader实例的父类加载器。当一个ClassLoader实例需要加载某个类时，他会在亲自搜索某个类前，委托给他的父类加载器，这个过程是由上至下的一次检查。首先由BootstrapClassLoader尝试加载，未加载则往下交给ExtensionClassLoader进行加载，还未加载则交给APPClassLoader进行加载，如果他也没有加载到的话，则返还给委托的发起者，由他到指定的文件系统或者网络url中加载该类，如果都没有加载到该类，则抛出ClassNotFoundException异常。如果加载到该类，则生成该类的定义，并将它加载到内存中，最后返还这个类在类村中的class对象。

二、运行时数据区

运行时数据区实在jvm运行的时候操作所分配的内存区。主要分为五个区域：方法区、Java堆、java栈、程序计数器、本地方法栈。

方法区

用于存储类结构信息的地方，包括常量池，静态变量，构造函数。虽然jvm规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但他有个别名非堆（non-heap）。

jdk1.8后将方法区移植到内存中（1、提高jvm的io性能。2、整个永久代有一个jvm本身设置的固定大小上线，无法调整，而元空间使用的时直接内存，受本机控制，并且永远不会oom。

可以使用 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。

-XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。）。

Java堆

存储Java实例或者对象的地方，这块是gc的主要区域。从存储内容上可以看到Java堆和方法区是被Java线程共享的。

Java栈

Java栈总是和线程相关联的，每当创建一个线程时，JVM就会为这个线程创建一个对应的Java栈。在这个栈中又会包含多个栈帧，每运行一个方法就创建一个栈帧，用于存储局部变量，操作栈，方法返还值等。每一个方法从调用直至完成的过程，就对应栈帧在Java栈中的出栈与入栈的过程。所以Java栈是私有的。

程序计数器

用于保存当前线程执行的内存地址。由于JVM是多线程执行的（线程轮转切换），所以为了保证线程切换回来很能保证原先状态，则需要一个独立的计数器来保存之前的中断的地址。因此，程序计数器也是私有的。

本地方法栈

与Java栈类似，用于服务执行native方法。

三、执行引擎

负责执行class中的字节指令。

负责执行class中的字节指令。### 四、本地接口

主要用于调用c或c++本地方法和返回结果。

JVM内存分配

Java虚拟机是一次性分配一块较大的内存空间，每次创建实例时都在该空间进行分配与释放，减少了系统的调用次数，节省了一定的开销，类似内存池的概念。有了这块空间，如何对内存进行分配与回收就需要由gc来控制。

Java一般内存申请有两种：静态内存、动态内存。

静态内存：编译时就可以确定的内存就是静态内存，即内存时固定的，如int变量。

动态内存：在程序执行时，才知道要分配的储存空间大小，比如Java对象的内存空间。

综上所述，Java栈、程序技术器和本地方法栈都是线程私有的，因此内存分配与回收是固定的。而Java堆与方法区则是在程序运行时才得知需要创建哪些对象，所以这部分内存即为动态内存，一般而言垃圾回收也是针对这部分。

垃圾检测和回收算法

垃圾回收一般需要完成两件事：检测垃圾与回收垃圾。

垃圾检测算法

引用计数算法：给对象增加一个引用计数器，每当有地方引用这个对象时，则在计数器上加一，反之减一。

可达性分析算法：以根集（Java堆中的引用对象，方法去中常量池引用的对象）对象为起点进行搜索，如果有对象不可达，即为垃圾对象。

垃圾回收算法

JVM在做垃圾回收时，会检查堆中所有的对象是否会被这些根集对象所引用，不能够被引用的对象就会被垃圾收集器回收。

标记-清除算法：分为两个阶段，标记和清除。标记所有需要回收的对象，然后统一回收。（缺点：效率低，标记清除后会产生大量的碎片）

复制算法：将内存空间划分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前区域，把正在使用中的对象复制到另外的区域中。此算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，复制过去的同时还能进行相应的内存整理，不会出现“内存碎片问题”，但需要双倍内存。

标记整理算法： 此算法结合了标记清除与复制算法的两个优点，也是两个阶段。第一阶段从根节点开始标记所被引用的对象。第二阶段遍历整个堆，把存活对象“压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。此算法避免了“复制算法”的空间问题。

分代收集算法：当前商业虚拟机最常用的算法。分代的垃圾回收策略，是基于：不同的对象拥有不同的生命周期。因此不同生命周期的对象采取不同的收集方式，以便提高回收效率。在Java程序运行过程中，会产生大量的对象，因每个对象所能承担的职责和功能不同，所以也有着不同的生命周期，有的对象生命周期长，有的对象生命周期短。如果不对对象存活时间进行区分的话，那么每次垃圾回收都是对整个堆空间进行回收，那么消耗的时间相对较长，而对于存活时间较长的对象进行扫描的工作是徒劳的。因此引入了分治思想，将对象进行代的划分。‘

将对象划分成：年轻代（young）、老年代（old）、持久代（permanent）。其中持久代主要存放的是类的信息，所以与Java对象的回收关系不大，与回收信息相关的时年轻代和老年代。

年轻代：是所有新对象产生的地方。年轻代被分为三个部分：Ender（出生）区和两个Survivor（幸存）区。当Ender区被占满时，就会执行MinorGC（复制算法）。并把所有存活下来的对象转移到Survivor（来自Ender）区，MinorGC同样会检查存活下来的对象，并把他们转移到另一个Survivor（来自上一个Survivor）区，这样总会有一个Survivor区空着。经过多次GC后，仍然存活下来的对象就会被转移到老年代。

老年代：在年轻代经过多次GC后仍然存活下来的对象都会被放到老年代，都是生命周期较长的对象。当老年代内存被占满时，则触发FullGC（标记清楚算法），回收整个堆内存。

持久代：用于存放静态文件，比如Java类，方法等。持久代对垃圾回收没有明显的影响。在jdk1.8中移除持久代，换成元空间（MetaSpace），元空间同持久代一样，只不过将使用本地内存。