21天学会Java之(Java SE第四篇):Java虚拟机、垃圾回收机制

怼烎@ 2023-07-22 05:00 3阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  Java虚拟机(JVM)
     *  JVM的基本结构
     *  类加载机制
     *   *  类的生命周期
         *  类加载器的种类
         *  类加载机制
     *  运行时数据区（内存分析）
     *  垃圾回收机制
     *   *  新生代（Young Generation）
         *  老年代（Old Generation）
         *  元空间（Meta Space）

## Java虚拟机(JVM) ##

对于Java的面向对象的内存分析，首先就要知道Java虚拟机(java virtual machine，JVM)是什么？JVM是一种能够运行java字节码的虚拟机。作为一种编程语言的虚拟机，实际上不只是专用于Java语言，只要生成的编译文件匹配JVM对加载编译文件格式要求，任何语言都可以由JVM编译运行。 并且通过使用Java虚拟机，可以解决跨平台的问题。

## JVM的基本结构 ##

**JVM由三个主要的子系统构成**

*  类加载子系统
 *  运行时数据区（内存结构）
 *  执行引擎

## 类加载机制 ##

### 类的生命周期 ###

![类的生命周期流程图][format_png]

**1. 加载：** 将.class文件从磁盘读取到内存

**2. 连接**

**2.1 验证：** 验证字节码文件的正确性(魔数)

**2.2 准备：** 给类的静态变量分配内存，并赋予默认值

**2.3 解析：** 类装载器装入类所引用的其它所有类(静态链接)

**3. 初始化：** 为类的静态变量赋予正确的初始值，上述的准备阶段为静态变量赋予的是虚拟机默认的初始值，此处赋予的才是程序编写者为变量分配的真正的初始值，执行静态代码块

**4. 使用：** 运行程序

**5. 卸载：** 程序结束

### 类加载器的种类 ###

*  **启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)**  
    负责加载JRE的核心类库，如JRE目标下的rt.jar，charsets.jar等
 *  **扩展类加载器(Extension ClassLoader)**  
    负责加载JRE扩展目录ext中jar类包
 *  **系统类加载器(Application ClassLoader)**  
    负责加载ClassPath路径下的类包
 *  **用户自定义加载器(User ClassLoader)**  
    负责加载用户自定义路径下的类包

![类加载器的种类][format_png 1]

### 类加载机制 ###

*  **全盘负责委托机制**  
    当一个ClassLoader加载一个类的时候，除非显示的使用另一个ClassLoader，该类所依赖和引用的类也由这个 ClassLoader载入
 *  **双亲委派机制**  
    指先委托父类加载器寻找目标类，在找不到的情况下载自己的路径中查找并载入目标类
 *  **双亲委派模式的优势**
    
    **1.沙箱安全机制：** 比如自己写的String.class类不会被加载，这样可以防止核心库被随意篡改  
    **2.免类的重复加载：** 当父ClassLoader已经加载了该类的时候，就不需要子ClassLoader再加载一次

## 运行时数据区（内存分析） ##

**1. 方法区（Method Area）(jdk1.8以前叫做永久代/持久代，以后叫做元空间)**

(1)JVM只有一个方法区，被所有线程共享

(2)方法区实际也是堆，只是用于存储类、常量相关的信息

(3)方法区用来存放程序中永远是不变或唯一的内容，类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在这里定义。简单来说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，**静态变量+常量+类信息（构造方法/接口定义）+运行时常量池(String类)都存在方法区中**。

**2. 栈(Stack)**  
Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（**用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息**）不存在垃圾回收问题，**栈的存储特性遵循“先进后出，后进先出”**，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致。且栈是由系统自动分配，速度快，栈是一个连续的内存空间。

**3. 堆（Heap）**

(1)堆用于存储创建好的对象和数组（**数组也是对象**）

(2)JVM只有一个堆，被所有线程共享

(3)堆是一个不连续的内存空间，分配灵活，速度慢。

(4)同时堆也是垃圾收集器管理的主要区域，详细见下文的垃圾回收机制。

**4. 本地方法栈(Native Method Stack)**

和栈作用很相似，区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务，而本地方法栈为JVM执行本地(native)方法服务。登记本地方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。

**5. 程序计数器(Program Counter Register)**  
就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计

## 垃圾回收机制 ##

Java在堆中引入了垃圾回收机制，令C++程序员最头疼的内存管理问题迎刃而解。所以Java程序员可以将更多的精力放到业务逻辑上而不是内存管理工作上，大大的提高了开发效率。

程序员可以自己写`System.gc()`，但是这样不是调用垃圾回收器，只是程序建议GC启动，是否启动还是由垃圾回收机制控制。

### 新生代（Young Generation） ###

类出生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，后被垃圾回收器收集，结束生命。  
新生代分为两部分：**伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor space）**，所有的类都是在伊甸区被new出来的。 幸存区又分为From和To区。当Eden区的空间用完后，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将Eden区进行垃圾回收（Minor GC），将Eden区中的不再被其它对象应用的对象进行销毁。然后将Eden区中剩余的对象移到From Survivor区。若From Survivor区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到To Survivor区。

### 老年代（Old Generation） ###

新生代经过多次(默认15次)GC仍然存活的对象移动到老年区。若老年代也满了，这时候将发生Major GC（也可以叫Full GC）， 进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会抛出 OOM（OutOfMemoryError）异常。

### 元空间（Meta Space） ###

在JDK1.8之后，元空间替代了永久代，它是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区不在虚拟机当中，而是用的本地内存，永久代在虚拟机当中，永久代逻辑结构上也属于堆，但是物理上不属于。  
**为什么移除了永久代？**：参考[官方解释][Link 1]

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[Link 1]: http://openjdk.java.net/jeps/122