從上帝視角看Java如何運行

• 2020 年 4 月 9 日
• 筆記

JVM記憶體結構

可以看出JVM從宏觀上可以分為 ‘內部’  及 ‘外部’  兩個部分(便於記憶理解)：

‘內部’包含：執行緒共享（公有）數據區 和 執行緒隔離（私有）數據區

‘外部’包含：類載入子系統、垃圾回收器、執行引擎、本地庫介面、本地方法庫

以上部件構成了整個jvm，接下來我們一個一個零件拆開了看。

class文件

類載入子系統

　　類載入子系統：負責查找和裝載class文件，將其中的二進位數據載入到jvm中。

位元組碼 –> 載入 –>  驗證 –> 準備 –> 解析  –> 初始化

載入：通過類的完全限定名找到類文件所在位置，根據其中的位元組碼創建java.lang.Class對象，所以才會說萬物皆對象，我們也可以繼承ClassLoader，重寫findClass方法來自定義實現類載入器。默認情況下我們都使用AppClassLoader

驗證：確保載入的位元組碼的是否符合虛擬機的要求，是java提供的一種自我保護機制，不讓其危害虛擬機安全。其主要包括四種驗證，位元組碼驗證、文件格式驗證，元數據驗證、符號引用驗證。

準備：為類變數分配地址和初始化值，類變數會分配到方法區（元空間）中，這裡的初始化是指該數據類型的默認初始值，例如int對應的是0，long對應的0L，只有在初始化時才會動顯示賦值

解析：把類中的二進位數據中的符號引用轉換為直接引用；例如我們通過user.getInfo();這裡的.getInfo()就是符號引用，在解析階段會將它指向真正的記憶體位置，這就是直接引用

初始化：主要為類的靜態變數賦予正確的值，比如int num = 10; 這裡num的值會從準備階段的0變為10；並且若該類有父類，會對其進行初始化操作；如果類中有初始化語句，系統會按照順序進行初始化

雙親委派模式

雙親委派：自底向上檢查是否載入成功，自頂向下嘗試載入。

當一個類載入器收到類載入請求，它不會自己進行載入，而是將該請求丟給父類載入，如果父類還存在父類，則會依次向上請求，直到到達頂級載入器，如果父類載入器能載入完成就返回載入成功，否則子類載入器才會自己嘗試載入。

System.out.println(Test.class.getClassLoader());  System.out.println(Test.class.getClassLoader().getParent());  System.out.println(Test.class.getClassLoader().getParent().getParent());  System.out.println(String.class.getClassLoader());

通過程式碼驗證，可以很輕鬆的了解 AppClassLoader -> ExtClassLoader -> BootstrapClassLoader 這三層的關係。

類載入的三種方式

1. new關鍵字載入

　　User user = new User();  

　　  靜態載入，在運行時候通過new關鍵字創建類實例

2. Class.forName()載入

　　Class clazz ＝ Class.forName（“User”）;  　　Object user＝clazz.newInstance();  

　　  動態載入，通過Class.forName()來載入類，然後調用類的newInstance()方法實例化對象

3. ClassLoader 實例的 loadClass() 方法

　　Class clazz ＝ classLoader.loadClass（“User”）;  　　Object user＝clazz.newInstance();  

　　  動態載入，可通過繼承ClassLoader實現自定義類載入器

執行緒私有和執行緒公有

JVM記憶體區從宏觀上可以分為 執行緒私有 和 執行緒公有 兩塊。

執行緒私有部分

　　這部分沒有執行緒安全問題，隨著執行緒執行結束而結束；包含程式計數器、虛擬機棧、本地方法棧三個部件。

程式計數器：

 　　程式計數器也叫PC暫存器，作用是cpu進行切換的時候，指向當前時刻需要獲取指令的位置。

   特點：

1. 執行緒私有
2. 一塊較小的區域
3. 記錄程式執行的位置
4. 不存在記憶體溢出OutOfMemoryError

虛擬機棧：

　　棧數據結構實現，入口和出口只有一個，稱之為入棧和出棧，先進後出（FILO）

　　棧的作用主要是執行方法，先執行的方法在最下面，然後依次放入，方法執行完畢之後從上往下依次退出；所以方法執行就是壓棧，方法結束就是出棧（銷毀棧幀）。

public void start(){      say();      run();  }

虛擬機棧如何執行

棧幀

　　棧幀存在Java虛擬機棧中，是虛擬機棧中的單位元素。方法執行會創建棧幀，一個方法就是一個棧幀，一個棧幀分為四個部分：

1. 局部變數表

　　User user = new User();  //局部變數user

/** 遞歸演示如何棧溢出 */  public static int num = 0;  public static void a(){      num++;      a();  }  public static void main(String[] args) {      try{          a();      }catch (Exception ex){          System.out.println("調用次數："+num);      }  }　

    本地方法棧和虛擬機棧類似，區別在於虛擬機棧主要為jvm執行位元組碼服務，而本地方法棧為Native方法服務，即本地方法服務；所以本地方法棧也是一塊記憶體私有區域，與虛擬機棧相同也有同樣的異常問題。

  特點：

1. 與虛擬機棧基本類似
2. 區域在於本地方法棧為Native方法服務（windows下調用dll文件）
3. Sun HotSpot將虛擬機棧和本地方法棧合併
4. 有StackOverflowError和OutOfMemoryError

執行緒公有部分

　　這部分存在執行緒安全問題，平常我們所指的記憶體優化，溢出等問題都是需要關注這個區域。包含堆、方法區（也叫元空間）兩個部件。

方法區（元空間）

　　類載入器載入類的時候，會將一些類的元數據資訊（位元組碼）保存在這個區域，例如：類變數，靜態方法，普通方法等，方法區是執行緒共享的，多個執行緒能用到同一個類

　　jdk1.7合併方法區到了堆裡面

　　jdk1.8保留了方法區的概念，只不過實現方式不同，jdk1.8稱為元空間，與堆不相連，但是與堆共享物理記憶體，邏輯上可以認為是在堆中

 特點：

1. 執行緒共享
2. 存儲類資訊、常量、靜態變數、方法描述等資訊
3. HotSpot虛擬機中稱之為永久代
4. GC很少回收這個區域
5. 存在OutOfMemoryError，可以通過-XX:MaxPermSize設置大小

堆

　　堆中用於存放所有實例化對象和數組，堆中資訊執行緒共享，所有jvm部件中分配記憶體中最大的區域，在虛擬機啟動時就創建，垃圾回收器主要管理該區域，堆分為新生代（占堆記憶體1/3）和老年代（占堆記憶體2/3），新生代更細緻可以分為Eden、From Survivor、To Survivor空間，比例8:1:1 ；可以通過-Xmx、-Xms設置大小

在堆中產生了一個實例對象或數組，可以在棧中聲明一個變數，用於指向堆中的對象，該變數的取值等於堆中對象的記憶體地址，所以我們在列印變數名的時候是一串記憶體地址

 Test test = new Test();   System.out.println(test);  //輸出Test@1b6d3586

　　萬物皆對象，當我們在實際開發中，創建了許多對象，為了防止記憶體泄露，java確保有效的使用記憶體，會由java虛擬機自動垃圾回收器來管理；且把堆分為新生代和老年代進行管理

新生代與老年代

　　新生代是Java對象出生的地方，是新對象分配記憶體的地方，大部分對象存活時間都不需要太久，這個區域會頻繁觸發MinorGC進行垃圾回收；
　　而老年代存放的都是存活時間較久或者記憶體較大的對象，所以Full GC不會頻繁執行。

Minor GC

　　發生在新生代中的垃圾回收機制，採用複製演算法（掃描存活對象，複製到一塊新記憶體空間中），From Survivor 和 to Survivor是相對的，也就是說Minor GC發生時，Eden區和其中一個Survivor區會把一些仍然存活的對象放置另外一個Survivor 區，然後清理Eden區和之前的Survivor 區，下次同理，當達到一定 ‘年齡’ 後，新生代會把對象放入老年代（每發生一次Minor GC增加1歲，默認15歲）

Full GC

　　發生在老年代中的垃圾回收機制，採用標記-清除（標記存活的對象，清除未標記的對象，即需要回收的對象），因為老年代中的對象較穩定，所以發生Full GC的頻率相對Minor GC較少，但是一次回收的時間會比Minor GC更長