Java学习笔记 -- 第七章 面向对象(二)：内存底层

写在开头：今天我们来学习面向对象的第二部分：内存底层的初步了解。我们通过对Java虚拟机内存底层的分析，能够更加理解java程序的执行过程与面向对象。本部分内容可能有些晦涩难懂，但是我们只是初步了解，所以可以不去细究。若对此感兴趣的小伙伴可以去查阅有关JVM的博客或者视频。还是那句话：假传万卷书，真传一案例。让我们 生死看淡，不服就干！
PS：本文是个人学习笔记，用于个人复习。文章内容引用尚学堂java300集教学。

内存底层

    Ⅰ Java虚拟机内存模型
    Ⅱ 程序执行过程
    Ⅲ 垃圾回收机制
    Ⅳ this和static

Ⅰ Java虚拟机内存模型

     从属于线程的内存区域(栈、计数器)：
     JVM的内存划分中，有部分区域是线程私有的，有部分是属于整个JVM 进程；我们将这部分归为一类。
     程序计数器（Program Counter Register)，在 JVM 规范中，每个线程都有自己的 程序计数器。这是一块比较小的内存空间，存储当前线程正在执行的 Java 方法的 JVM 指令 地址，即字节码的行号。如果正在执行 Native 方法，则这个计数器为空。
     Java 虚拟机栈(Java Virtal Machine Stack)，同样也是属于线程私有区域，每个线 程在创建的时候都会创建一个虚拟机栈，生命周期与线程一致，线程退出时，线程的虚拟机 栈也回收。虚拟机栈内部保持一个个的栈帧，每次方法调用都会进行压栈，JVM 对栈帧的 操作只有出栈和压栈两种，方法调用结束时会进行出栈操作。该区域存储着局部变量表，编 译时期可知的各种基本类型数据、对象引用、方法出口等信息。
     本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈类似，本地方法栈是在调用本地 方法时使用的栈，每个线程都有一个本地方法栈。
     堆：
     堆（Heap）,几乎所有创建的 Java 对象实例，都是被直接分配到堆上的。堆被所有的 线程所共享，在堆上的区域，会被垃圾回收器做进一步划分，例如新生代、老年代的划分。 Java 虚拟机在启动的时候，可以使用“Xmx”之类的参数指定堆区域的大小。
     方法区：
     方法区与堆一样，也是所有的线程所共享，存储被虚拟机加载的元（Meta）数据，包 括类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。 方法区是一种 java 虚拟机的规范。由于方法区存储的数据和堆中存储的数据一致，实 质上也是堆，因此，在不同的 JDK 版本中方法区的实现方式不一样。
     运行时常量池：
     这是方法区的一部分。常量池主要存放两大类常量：1. 字面量（Literal），如文本字符串、final 常量值；2. 符号引用，存放了与编译相关的一些常量，因为 Java 不像 C++那样有连接的过程， 因此字段方法这些符号引用在运行期就需要进行转换，以便得到真正的内存入口地址。
     直接内存：
     直接内存并不属于 Java 规范规定的属于 Java 虚拟机运行时数据区的一部分。Java 的 NIO 可以使用 Native 方法直接在 java 堆外分配内存，使用 DirectByteBuffer 对象作为这 个堆外内存的引用。

Ⅱ 程序执行过程(重点)

  为了方便我们理解Java程序执行过程中内存的变化，我们将Java虚拟机内存模型进行简化，将其简单地分为三个区域：虚拟机栈stack、堆heap、方法区moethod area
  虚拟机栈的特点如下：
    - 栈描述的是方法执行的内存模型。每个方法被调用都会创建一个栈帧（存储局部变 量、操作数、方法出口等）
    - JVM 为每个线程创建一个栈，用于存放该线程执行方法的信息（实际参数、局部变 量等）
    - 栈属于线程私有，不能实现线程间的共享！
    - 栈的存储特性是“先进后出，后进先出”
    - 栈是由系统自动分配，速度快！栈是一个连续的内存空间！
  堆的特点如下：
    - 堆用于存储创建好的对象和数组(数组也是对象)
    - JVM 只有一个堆，被所有线程共享
    - 堆是一个不连续的内存空间，分配灵活，速度慢！
  方法区（又叫静态区,也是堆）特点如下：
    - 方法区是 JAVA 虚拟机规范，可以有不同的实现。(JDK7 以前是“永久代”；JDK7 部分去除“永久代”，静态变量、字符串常量池都挪到了堆内存中；JDK8 是“元数据空间”和堆结合起来。)
    - JVM 只有一个方法区，被所有线程共享！
    - 方法区实际也是堆，只是用于存储类、常量相关的信息！
    - 用来存放程序中永远是不变或唯一的内容。（类信息【Class 对象，反射机制中会 重点讲授】、静态变量、字符串常量等）

  我们以下面这段代码为例，分析一下程序运行时内存的变化

//Person类
class Person {
	String name;
	int age;
	public void show(){
		System.out.println("姓名："+ name +",年龄："+age);
	}
}

//创建personl类对象并使用
public class TestPerson {
	public static void main(String[ ] args) {
		// 创建p1对象
		Person p1 = new Person();
		p1.age = 24;
		p1.name = "张三";
		p1.show();
		// 创建p2对象
		Person p2 = new Person();
		p2.age = 35;
		p2.name = "李四";
		p2.show();
	}
}

我们从main函数开始看：

public static void main(String[ ] args){
	Person p1 = new Person();

进入main函数，压入一个main函数栈帧，函数参数为args，指向null。Person p1是个类引用，此时main栈帧中创建一个引用指向null。同时方法区开始加载Person类信息

	Person p1 = new Person();

new Person() 是一个方法，调用该方法，栈空间压入一个该方法的栈帧；在堆中创建Person对象，对象所有的属性和方法从方法区的类信息获取。此时默认调用无参构造方法给新建对象属性赋默认初值，方法指向类信息中的方法信息。Person对象创建好后，p1指向该对象的地址。

	p1.age = 24;
	p1.name = "张三";

new Person()方法结束，栈帧出栈。执行赋值语句。

	p1.show();

执行show()方法，栈空间压入栈帧。show()方法自带参数this，该参数指向自身对象地址。(关于this指针后边会详细介绍)

p1.show()方法执行完，栈帧出栈。接下来进入对象p2的创建。创建p2流程和p1完全一样。我们直接跳到执行完p2.show()，p2.show()栈帧出栈。

接下来main()方法结束，栈帧出栈，栈空间清空，程序结束；堆空间与方法区残留的无用信息由垃圾回收机制自动收回。

Ⅲ 垃圾回收机制

1. GC基本原理
     Java的内存管理很大程度指得就是：堆中对象的管理，其中包括对象空间的分配和释放。
       对象空间的分配：使用 new 关键字创建对象即可
       对象空间的释放：将对象赋值 null 即可。垃圾回收器将负责回收所有”不可达”对象 的内存空间

  垃圾回收的过程：
    第一步：发现无用的对象
    第二步：回收无用对象占用的内存空间

  三个要点：
    - 程序员无权调用垃圾回收器
    - 程序员可以调用System.gc()，该方法只是通知JVM，并不是运行垃圾回收器。尽量少用，会申请启动Full GC，成本高，影响系统性能。
    - finalize方法，是Java提供给程序员用来释放对象或资源的方法，但是尽量少用

2. 回收算法
     垃圾回收机制保证可以将“无用的对象”进行回收，无用的对象指得是没有任何变量引用该对象
     Java的垃圾回收器通过相关算法发现无用对象，并进行清除和整理
     相关算法：引用计数法；引用可达法(根搜索法)

3. 分代机制
     原理：不同对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的回收算法，以便提高回收效率。
   
     年轻代：所有新生成的对象首先都是放在Eden区；年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的现象，对应的是Minor GC，每次Minor GC会清理年轻代的内存，算法采取效率较高的复制算法，频繁的操作，但是会浪费内存空间；当“年轻代”区域放满后，就将对象放到年老区。
     年老代：在年轻代中经历了N(默认15)次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中；年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象；年老代对象越来越多，我们就需要启动Major GC和Full GC，来一次大扫除，全面清理年轻代区域和年老代区域。
     永久代：用于存放静态文件，如Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响；JDK7以前就是“方法区”的一种实现；JDK8以后已经没有“永久代”了，使用metaspace元数据空间和堆替代。
     三种GC：
       - Minor GC：用于清理年轻代区域，Eden区满了就会触发一次Minor GC；清理无用对象，将有用对象复制到“Survivor1”、“Survivor2”区中。
       - Major GC：用于清理年老代区域
       - Full GC：用于清理年轻代、年老代区域‘成本较高，会对系统性能产生影响。

4. 容易造成泄露的操作
     - 创建大量无用对象
     - 静态集合类的使用
     - 各种连接对象（IO 流对象、数据库连接对象、网络连接对象）未关闭
     - 监听器的使用不当

Ⅳ this和static(重点)

1. this关键字
     对象创建过程和this的本质：
       构造方法是创建 Java 对象的重要途径，通过 new 关键字调用构造器时，构造器也确实返回该类的对象，但这个对象并不是完全由构造器负责创建。创建一个对象分为如下四步：
       (1)分配对象空间，并将对象成员变量初始化为 0 或空
       (2)执行属性值的显式初始化
       (3)执行构造方法
       (4)返回对象的地址给相关的变量
       this 的本质就是“创建好的对象的地址”！ 由于在构造方法调用前，对象已经创建。 因此，在构造方法中也可以使用 this 代表“当前对象”。

     this的最常用法：
       - 在程序中产生二义性之处，应使用 this 来指明当前对象；普通方法中，this 总是指 向调用该方法的对象。构造方法中，this 总是指向正要初始化的对象。
       - 使用 this 关键字调用重载的构造方法，避免相同的初始化代码。但只能在构造方法 中用，并且必须位于构造方法的第一句。
       - this 不能用于 static 方法中。

2. static关键字
     在类中，用 static 声明的成员变量为静态成员变量，也称为类变量。 类变量的生命周 期和类相同，在整个应用程序执行期间都有效。它有如下特点：
       - 为该类的公用变量，属于类，被该类的所有实例共享，在类被载入时被显式初始化。
       - 对于该类的所有对象来说，static 成员变量只有一份。被该类的所有对象共享！
       - 一般用“类名.类属性/方法”来调用。（也可以通过对象引用或类名（不需要实例化访问静态成员。）
       - 在 static 方法中不可直接访问非 static 的成员。

下面我们稍微修改下之前的代码(加入this和static)，再来感受一下程序运行时内存的变化

//Person类
	class Person {
	String name;
	int age;
	static String nationality;	//静态变量：国籍
	
	//有参构造函数
	public Person(String name, int age){
		this.name = name;
		this.id = id;
	}
	
	public void show(){
		System.out.println("姓名："+ name +",年龄："+age);
		
	//静态方法：打印国籍
	public static void printNationality(){
		System.out.println(nationality);
	}
	}

public class TestPerson {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建p1对象
        Person p1 = new Person("张三", 24);
        p1.show();

        p1.printNationality();
        p1.nationality = "Chinese";
        p1.printNationality();
    }
}

同样，我们从main函数开始分析。

public static void main(String[] args) {
        // 创建p1对象
        Person p1 = new Person("张三", 24);
        p1.show();

进入main函数，向栈空间压入栈帧。Person p1，方法区开始加载Person类相关信息，包括代码结构，静态属性，静态方法等等。接下来为对象分配空间，并初始化成员变量。属性值显式初始化，调用构造方法，向栈空间压入构造方法的栈帧。（如下图）
构造方法结束，出栈。调用p1.show()，压栈。（此过程图略）

	p1.printNationality();
	p1.nationality = "Chinese";
	p1.printNationality();

调用静态方法，打印国籍；修改nationality的值，再次打印国籍。从这里就可以看出，静态属性和方法都存储于方法区，故静态方法可以调用静态属性和静态方法，但不能调用成员变量和方法。反之，成员方法可以调用静态变量和静态方法。这种关系就像汽车图纸和汽车的关系一样：汽车图纸不可能实施汽车的操作，比如启动发动机；但是汽车却可以实施图纸上的某个功能，比如打开安全气囊。