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2021-12-1 更新记录
周志明老师这本书讲的太深了，自己主要针对八股常问的一些点进行了阅读理解，发现网上的好多文章都是来自于此😂，相对于上次背八股的JVM记录，这次浅读对这些点有了一定的理解，确实很细，以后工作了可以再抽空深挖一下虚拟机的其他内容。

Java内存区域

运行时数据区域

  • 进程中线程共享：
    • 堆
    • 方法区
  • 进程中线程私有：
    • 程序计数器
    • 虚拟机栈
    • 本地方法栈

程序计数器（一块较小的内存空间）

  • java是编译成字节码运行，程序计数器可看作当前线程执行字节码的行号指示器。
  • 多线程情况下，程序计数器用于记录当前线程的执行位置，当线程切换回来可知道线程上次运行的位置。

各线程之间程序计数器互不影响，独立存储，这一块内存是线程私有的内存。

虚拟机栈（Java方法）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈是线程私有的，用于描述Java方法执行的内存模型，每次方法调用数据都是通过栈传递。

虚拟机栈生命周期与线程一样，当方法被执行时，JVM会同步创建一个栈帧（用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息），每一个方法执行的过程就相当于栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈。

Java内存可大致分为堆内存和栈内存，栈指的是虚拟机栈，或者是虚拟机栈的局部变量表部分。

局部变量表用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。其存放了编译期可知的8种基本数据类型、对象引用（reference类型，并不等于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）、returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址，也就是方法退出时的返回地址，有正常调用退出和异常调用完成退出两种情况，该字节码是为了方法结束时，将结果返回上层调用者）。

本地方法栈（Native方法）

作用与虚拟机栈相似，虚拟机栈为JVM使用的Java方法服务，本地方法栈为JVM使用的Native方法服务。功能和虚拟机栈一致。

堆

JVM内存管理中最大的一块，堆是所有线程共享的内存区域，在虚拟机启动时创建。该区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象实例及数组都在这分配内存，Java堆是垃圾收集器的主要区域，也被称作GC堆。

方法区

与堆一样，方法区是线程共享的内存区域，它用于存储已被JVM加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。也称作非堆。JDK8前方法区实现为永久代，JDK8后实现为元空间。

JDK7将字符串常量池、静态变量等移至堆，JDK8后移除永久代，被元空间代替。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。

字符串常量池在JDK7后移至堆，属于JVM常量池，包装类常量池准确说时对象池，只是用了常量池技术而已，其属于Java层面。如Integer常量池是一个cache数组存储。

直接内存

直接内存并非是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域。

HotSpot

JVM相当于一个虚拟机规范，而HotSpot就是规范的具体实现。以下基于HotSpot。

对象的创建

  • new，类加载检查

    虚拟机遇到一条new指令时，会检查当前指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并检查该符号引用的类是否已加载。若没有，则执行相应的类加载过程。

  • 分配内存

    在类加载检查后，虚拟机会为新对象分配内存。类加载完成后可确定对象所需的内存大小，此时只需要将确定大小的内存从Java堆中划分出来。Java堆有两种分配方式：

    • 指针碰撞

      内存空间规整，即一边是使用过的内存，另一边是空闲内存，指针只需要在中间挪动

    • 空闲列表

      内存空间分布不规整，占用内存和空闲内存相交错，JVM需要维护一个列表，记录可用的内存块。

    分配的方法是根据其规整情况，也就是垃圾收集器来选择，其回收算法不同，导致内存空间情况不同。

    而对于并发情况下的内存分配有两种方法：

    • 分配操作同步处理，CAS + 失败重试保证操作原子性
    • 本地线程分配缓冲TLAB，每个线程在堆中预先分配内存，在各自内存进行操作

  • 初始化零值

    内存分配后，虚拟机将分配的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），该操作是为了保证对象的实例字段可不赋初始值就直接使用，程序则会访问该实例字段对应类型的初始值。

  • 设置对象头

    初始化零值后，虚拟机会将对象的相关信息存放到对象头中，如哈希码、GC分代年龄、锁相关信息、类的元数据信息等。

  • 执行<init>()方法，构造函数

    虚拟机完成了对象创建，但对于程序来说，对象创建才刚开始，此时执行init()方法，初始化对象。new指令后接着执行<init>()方法。

对象内存布局

对象在内存中布局可分为3快区域：对象头、实例数据、对齐填充。

  • 对象头：包含两部分信息，一部分用于存储对象自身运行时数据，另一部分是类型指针（对象指向其类元数据的指针），虚拟机通过该指针确定对象是某个类的实例。

  • 实例数据：对象真正存储的有效信息。

  • 对齐填充：不是必要的，仅仅起占位作用。由于HotSpot虚拟机要求对象大小必须是8字节的整数倍，通过对齐填充补齐。

对象的访问定位

通过句柄和直接指针两种方式实现访问定位。

  • 句柄访问

    Java堆会划分出句柄池的内存，reference存放对象的句柄地址，句柄中包含了对象实例数据和类型数据的具体地址信息。根据想访问的信息，进行间接访问。

    优点：reference存储的句柄地址稳定，对象被移动时，只会改变句柄中的指针信息，reference本身不会修改。

  • 直接指针访问（HotSpot）

    reference存储的是对象地址，此时Java堆中对象的内存布局需要考虑如何放置访问类型数据的相关信息。如果之访问对象实例信息，则无需间接访问的开销，因为对象内存布局包含了对象的实例信息。

    优点：访问速度快，节省了指针定位的时间开销。

java实例数据：堆（对象布局）

java类型数据：方法区

JVM垃圾回收

堆空间分配与垃圾回收

基本结构

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新生代内存：eden、from survivor0（s0）、to survivor1（s1）

老年代内存：old memory

Minor GC：新生代垃圾回收

Major GC：老年代垃圾回收，CMS

Mixed GC：对整个新生代与部分老年代进行垃圾回收，G1

Full GC：清理整个Java堆和方法区的垃圾收集

  • 对象会优先在eden区域分配

  • 大对象直接进入老年代，大对象即大量连续内存空间的Java对象，如长字符串，元素数量庞大的数组

  • 长期存活对象进入老年代，JVM为每个对象定义了一个对象年龄计算器，存储在对象头中，一般对象在eden区诞生，若经过一次Minor GC并被Survivor区容纳，则年龄+1，达到一定值（默认15）则晋升为老年代。

如何判断对象是否可回收

引用计数法

给对象添加引用计数器，每次引用+1，引用失效-1，计数器=0即对象可回收。

但由于对象之间会产生循环引用问题，主流虚拟机并没有使用该算法进行内存管理。

可达性分析算法

通过一系列称为GC Roots的根对象作为起始节点集，所有该节点可达到的对象是存活的，不可达的对象可被回收。

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GC Roots的选取一般为以下几种：

  • 虚拟机栈中引用的对象，如方法参数、局部变量等
  • 本地方法栈中（Native方法）引用的对象
  • 方法区中类静态属性引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 所有被同步锁持有的对象
  • JVM内部引用，如基本数据类型对应的Class对象

在可达性算法中，为了完成对象图的遍历，引入了三色标记进行辅助：

  • 白色：当前对象尚未被访问，最终仍为白色的对象即不可达的
  • 黑色：对象及其引用都被访问过，全部存活，后续不会重复扫描
  • 灰色：当前对象被访问过，但其关系上至少有一个引用未被扫描

在可达性扫描中可能会遭遇并发问题，导致黑色对象更改后关系链上多出了白色对象，一般是插入或删除了一些引用导致的，进而引申出两种解决方法 增量更新 和 原始快照（SATB），它们解决办法都是记录更改，后续重新遍历关系进行确认。

四种引用类型

  • 强引用

    被强引用关联的对象不会回收。

    使用 new 关键字来创建强引用。

  • 软引用

    软引用关联对象只有在内存不足时才会被回收。

    使用 SoftReference类 来创建软引用。

  • 弱引用

    弱引用关联的对象一定会被回收，只能存活到下一次垃圾回收发生之前。

    使用 WeakReference类 来创建软引用。

  • 虚引用

    一个对象是否有虚引用的存在，不会对其生存时间造成影响，也无法通过虚引用得到对象。

    为一个对象设置虚引用的唯一作用，就是该对象被回收时会收到一个系统通知。

    使用 PhantomReference类 来创建虚引用。

垃圾回收算法

分代收集

垃圾收集算法可划分为 引用计数式垃圾收集 和 追踪式垃圾收集 两类，也叫做直接、间接垃圾收集，而我们主流JVM使用的算法都是属于追踪式垃圾收集。

而垃圾收集器都是以 分代收集 理论作为基础的，其建立在几个假说之上：

  • 弱分代假说：大部分对象都会朝生夕灭，即在新生代就被GC。
  • 强分代假说：对象活的越久，经历过更多次的GC，该对象就功能消亡，也就是晋升为老年代。
  • 跨代引用假说：跨代引用，即两个相互作用的对象，其更倾向于同生同灭，如新生代对象与老年代对象相互作用，那么新生代在GC时因为引用得以存活，逐渐晋升到老年代，跨代引用消除。

标记–清除（内存分配复杂，老年代）

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标记所有要回收（不要回收）的对象，标记完成后，统一回收所有标记（未被标记）的对象，该算法是最基础的回收算法，其余算法都是对它的改进。

缺点：

  • 标记==清除执行效率不稳定，会随着对象数量增长而降低
  • 会导致内存空间碎片化

标记–整理（内存回收复杂，老年代）

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让所有的存活对象向内存空间一端移动，随后清理边界以外的内存。

优点：不会产生内存碎片

缺点：移动大量对象，需要暂停用户应用程序进行，效率低

标记–复制（新生代）

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将内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这一块内存使用完后，先将存活对象全部复制到另一块上，然后再将这一块内存清理。保证有一半的区域充当备用。

后续Andrew Appel进行优化，称作 Appel式回收，将新生代分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，而每次的内存分配只使用Eden和其中一块Survivor，复制算法会体现在两个Survivor空间上，当Survivor空间没有空闲时，对象将有分配担保机制进入老年代。

HotSpot默认分配Eden和Survivor的比例是8:1:1，也就是说新生代可用空间为总空间的90%，只浪费了10%的空间。

缺点：内存只能使用部分，空间浪费。

垃圾收集器

垃圾收集器

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新生代（标记–复制）

  • Serial收集器（Client，单线程）

    单线程收集器，GC时会暂停所有其他工作线程，但相比其他收集器的单线程更加简单高效，且对于内存受限的环境，它是所有收集器里额外内存消耗最小的，没有线程交互的开销。

  • ParNew收集器（Server，多线程）

    Serial的多线程版本，除了支持多线程外和Serial一致，除了Serial外，只有它可以和CMS收集器配合使用。

  • Parallel Scavenge收集器（吞吐量优先）

    多线程收集器，其他收集器在意的是用户线程的停顿时间，而它的关注点是达到一个可控的吞吐量，即高效利用CPU时间。适合用于后台运算且无需太多交互的任务。

老年代（标记–清除、标记–整理）

  • Serial Old收集器（Client，单线程）

    Serial的老年代版本。主要有两大作用：一是JDK1.5以前与 Parallel Scavenge 搭配使用，二是作为CMS收集器发送失败的后备方案。

  • Parallel Old收集器（多线程，吞吐量）

    Parallel Scavenge的老年代版本，注重吞吐量或CPU资源敏感时，可考虑使用Parallel Scavenge + Parallel Old。

  • CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）

    CMS的MS即Mark Sweep标记清除算法，此处实现步骤分4步：

    • 初始标记：标记GC Roots能直接关联的对象，速度快，需要停顿。
    • 并发标记：从GC Roots的直接关联对象遍历整个对象图的过程，在整个回收过程中耗时最长，无需停顿。
    • 重新标记：为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作，进而导致标记产生变动的部分对象的标记记录，需要停顿。也就是可达性算法并发情况下增量更新解决的问题。
    • 并发清除：清理标记阶段判断为已死亡的对象，无需停顿。

    优点：并发收集，低停顿。

    缺点：

    • 吞吐量低，CPU利用率不高。
    • 无法处理浮动垃圾，可启用Serial Old进行替代。
    • 标记–清除算法会产生空间碎片，使得没有大空间来分配对象，进而导致提前使用Full GC。可以在多次 标记–清除 后执行 标记–整理 避免空间浪费。

  • G1收集器（server）

    G1不在局限于分代，它可以处理新生代和老年代，是特殊的Mixed GC。

    G1不在以固定大小和固定数量划分分代空间，而是将连续的Java堆分为多个大小相同的独立区域（Region），每一个Region根据需求扮演新生代（Eden、Survivor）、老年代。

    运作过程：

    • 初始标记：GC Roots能直接关联的对象·····，需要暂停。
    • 并发标记：从GC Roots进行可达性分析，递归整个对象图
    • 最终标记：处理 原始快照SATB 问题。短暂暂停。
    • 筛选回收：更新Region，对Region回收价值与成本进行排序，然后进行回收。需要暂停。

    特点：

    • 空间整合：整体基于 标记–整理 实现，局部基于 标记–复制 实现，即运行时不会产生空间碎片。
    • 可预测停顿：指明使用者在某长度时间片段内，GC不得超过相应的规定时间。
    • 分Region的内存分布

低延迟垃圾收集器

  • Shenandoah收集器
  • ZGC

二者都是基于Region的内存布局，ZGC更优秀，可在任意内存大小下，都将垃圾收集的停顿时间限制在10ms以内的低延迟。

类加载机制

类加载时机

只有6种主动引用才会触发初始化，其他的引用类型方式都不会触发初始化，称为被动引用。

主动引用

  • 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic这四个字节码指令时，若当前类型没有初始化则触发其初始化。
    • 使用new实例化对象
    • 读取 或 设置 一个类型的静态字段时（被final修饰的静态字段 和 在编译器将结果放入常量池的静态字段 除外）
    • 调用一个类型的静态字段时
  • 对类型进行反射调用时，该类型没有初始化。
  • 当初始化类时，其父类未初始化，则先去初始化该父类；而接口初始化时，不要求其父接口全部初始化，只有用到父接口时才会初始化。
  • JVM启动时，优先初始化主类（含main()的类）。
  • 使用JDK7加入的动态语句支持，某实例解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial，这四种类型的方法句柄，且该方法句柄对应类未进行初始化时。
  • 当一个接口定义了JDK8新加入的默认方法（default关键字修饰），若该接口的实现类发生了初始化，该接口要在其之前被初始化。

被动引用（举例）

  • 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。对于静态字段，只有直接定义该字段的类才会被初始化，所以当静态字段在父类时，通过子类引用该字段，只会触发父类的初始化。
  • 通过数组定义来引用类，不会触发该类的初始化。定义一个类的数组，直接由虚拟机自动生成，继承于Object，创建动作由字节码指令anewarray触发，而该类不会初始化。
  • 引用类的常量，（static final）常量在编译阶段会存入调用类的常量池，本质上没有直接引用到定义常量的类，所以不会触发常量所属类的初始化。

类的生命周期

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  • 加载
  • 验证
  • 准备
  • 解析
  • 初始化
  • 使用
  • 卸载

其中验证、准备、解析，统称为连接阶段。

类加载过程

包括了加载、验证、准备、解析、初始化5个阶段。

加载

在加载阶段，JVM会完成以下三件事：

  • 通过类的全限定名来获取此类的二进制字节流。

  • 将字节流所代表的 静态存储结构 转换成方法区的 运行时存储结构。

  • 在内存中生成一个代表该类的 java.lang.Class对象，作为方法区中该类各种数据的访问入口。

但以上三点要求并不具体，有很大的发挥空间，如没有明确指明从哪里获取、如何获取等。由此引申出了一些技术，如ZIP压缩包读取加载，即JAR、WAR等；网络获取；JSP等。

非数组类型的加载阶段可以用上述多种方式进行，而数组类本身不提供类加载器创建，其元素类型最终还是由类加载器完成加载。

加载阶段与连接阶段的部分动作时交叉进行的。

验证

验证阶段大致可分为四步校验动作：

  • 文件格式验证：字节流是否符号Class文件格式规范
  • 元数据验证：对字节码描述信息进行语义分析（父类、抽象类、继承、数据类型等相关校验）
  • 字节码验证：通过数据流、控制流分析，确定程序语义是否合法，符合逻辑。（对方法体校验）
  • 符号引用验证：该阶段实际发生在JVM将符号引用转化为直接引用时，是解析阶段才发生的。（该类是否 缺少 或 被禁止访问 它依赖的资源）

验证阶段对于JVM类加载机制来说，是一个重要但不是必要的阶段，因为该阶段只有通过或不通过的差别，通过验证对后续程序运行无影响，所以当我们的程序被反复使用和验证后，可在生产环境的实施阶段关闭大部分的类验证措施（-Xverify:none），缩短JVM加载的时间。

准备

为类中定义的静态变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量内存理论上应在方法区分配。而逻辑上的方法区有具体的实现，JDK7之前，是永久代实现方法区，变量分配在方法区上；而JDK7后类变量迁移到Java堆中进行分配。

当然准备阶段进行内存分配的仅仅是类变量，不包括实例变量，实例变量是随着对象实例化和对象一起分配到Java堆中。

设置类变量初始值也分情况：

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public static int value = 111;
public static final int value = 111;

第一种value在准备阶段设置初值=0，而不是111，因为此时并未执行Java方法，只有value赋值111的对应putstatic指令被编译后，才会被复制，也就是到初始化阶段才会赋值111。

当然也有例外，如果类字段的字段属性表存在ConstantValue属性，准备阶段就会初始成该值。被final修饰的类变量，在编译时会生成ConstantValue属性，在准备阶段JVM根据该属性赋值value=111。

解析

JVM将常量池符号引用替换成直接引用的过程。

  • 符号引用：以一组符号描述引用的目标，可以是任何形式的字面量。与JVM内存布局无关，各自JVM实现内存布局不相同，但它们接受符号引用必须一致。（字符串）

    符号引用通常指代全限定名、包名、字段和方法的名称与描述符。

  • 直接引用：可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位目标的句柄。与JVM内存布局直接相关，有了直接引用，该引用的目标必定存在于JVM内存中。（内存地址）

也就是说将包名、全限定名这种字符串表示量转换成相应的内存地址。

初始化

初始化阶段才是真正开始执行类中定义的Java代码，进行准备阶段时，变量已经设置了初值，到了初始化阶段，会根据程序编码去初始化类变量和资源。初始化阶段就是执行类构造器 <clinit>() 方法的过程。

<clinit>() 方法是 类变量 + 静态语句块。

类加载器

类加载阶段中 “通过类全限定名获取该类的二进制字节流”，JVM的设计团队希望这个动作可以放到JVM外部去实现，也就是让程序自行决定如何去获取所需要的类。类加载器只用于实现类的加载动作，可确定类在JVM中的唯一性，且每一个类加载器有独立的类名称空间。

可以比较两个类是否 “相等”，只有两个类是同一个类加载器加载的前提下才相等。即使两个类来自同一个Class文件，被同一个JVM加载，只要它们的类加载器不同，这两个类就不相等。

对于JVM来说，只存在两种类加载器，启动类加载器（C++实现，是JVM的一部分） 和 其他所有的类加载器（这些是由Java实现的，独立存在于JVM外部）。

Java一致保持三层类加载器、双亲委派的类加载结构。

三层类加载器 + 双亲委派模型

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  • 启动类加载器：

    负责加载 <JAVA_HOME>\lib 目录下 或 -Xbootclasspath参数指定路径 的类库（还必须时JVM可以识别的类库，名字不符的类库即使路径正确也不会加载）。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户编写自定义类加载器时，可将加载请求委派给启动类加载器处理。

  • 扩展类加载器：

    负责加载 <JAVA_HOME>\lib\ext 目录下 或 java.ext.dirs系统变量指定路径 的所有类库。是Java系统类库的扩展机制，可自行添加到ext目录下扩展Java SE功能。

  • 应用程序类加载器

    加载用户类路径（ClassPath）上的全部类库，如果程序中没有自定义类加载器，一般情况下这个就是默认的类加载器。

  • 自定义类加载器

    可自定义拓展，如增加除磁盘位置外的Class文件来源。

各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的 “双亲委派模型”。

双亲委派模型要求除顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都要有自己的父类加载器。这里父子关系通过组合关系实现，而非继承关系。

  • 工作流程

    一个类加载器首先将类加载请求委派给父加载器完成，每个层次的类加载器都是如此，最终所有的加载请求都会传送到顶层的启动类加载器，只有当父加载器无法完成加载请求时（其搜索范围内没有需要的类），子加载器才会尝试自行加载。

  • 优点

    双亲委派让类加载器之间具有优先级的层级关系，使得Java基础类稳定运行，避免类重复加载。

    由于最终都是委派给启动类加载器类进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器中都能保证是同一个类，而没有双亲委派模型，任由各个类加载器自行加载，我们自行编写一个Object类放到ClassPath中，系统中就会出现多个不同的Object类，导致Java体系的基础无从保证。