JVM知识扫盲篇

一：故事背景

最近在回顾JVM的基本知识，今天在这里总结一下，JVM的基础知识。方便之后再次进行回顾。

二：知识点主要构成

2.1 JVM为什么能跨平台

1. JVM类似于软件。不同系统上的JVM是不一样的，但是却提供了相同的功能。
2. JVM执行的是字节码文件，也就是.java 编译后生成的.class 文件。这样做的好处是可以很好的提高执行效率。
   

2.2 JVM整体结构

jvm整体结构宏观如下，每一部分我都进行了表明，下面将会详细讲解，每一部分的作用。

2.1 类加载子系统

2.1.1 概述

类加载子系统主要分为三个步骤，分别是 加载、链接、初始化。其中链接最为重要。链接主要分为三个部分，分别是 验证、准备、解析。这里重点解释一下什么叫做：“将符号引用解析为直接引用”。
在Java里，Java类和其成员都表示为 符号引用。不涉及到具体的内存地址或者方法指针。当Java程序在JVM上运行的时候，符号引用要被解析为直接引用，以便在运行的时候可以正确的找到对应的类、方法、字段。

2.1.2 具体类加载器

Java中提供的类加载器主要分为 2类四种。

1. 引导类加载器
   引导类加载器（BootStrapClassLoader），一般由C或者C++语言编写，直接与操作系统交互，我们一般不对齐进行操作
2. 自定义类加载器
   Java提供了2中自定义类加载器，通过实现（ClassLoader类）进行实现，分别是 ExtClassLoader、APPClassLoader、加载器。不同的类加载器负责加载不同的目录。

2.1.3 双亲委派机制

1. 作用：避免类重复加载、防止核心API被篡改。
2. 概述：加载类的时候，先提交给其父类进行类加载。一直提交给 BootStrapClassLoader，如果都无法加载指定类，才由自己进行加载。

2.1.4 Tomcat为什么要自定义类加载器

JVM判断一个类是不是已经加载的逻辑是：类名+对应的类加载器实例
如果Tomcat直接使用APPClassLoader类进行加载类的话，会出现多个项目中同名的类无法进行加载的情况。
例如我们有项目A和项目B，项目A内有一个类其全称为com.test.Hello.class，项目B中同样有一个类为com.test.Hello.class。如果使用同一个APPClassLoader，会导致只能加载一个的情况。Tomcat针对这种情况为每个应用都设置了自己单独的类加载器 WebappClassLoader 这样两个应用中的Hello.class类都会分别进行加载，不会产生冲突。

2.2 运行时数据区

2.2.1 整体概念

根据上面颜色的不同，将其分成了线程共享和线程隔离的两大部分。其中方法区和堆是多个线程共享的。
方法栈和本地方法栈，程序计数器。都不会被多个线程共享。每个线程独立的进行管理，管理自己的方法的调用过程。

2.2.2 程序计数器的作用

1. PC Register，程序计数寄存器，建成程序计数器。它是物理寄存器的抽象实现。用来记录待执行的下一条指令的地址。
2. 其实程序控制流的指示器，循环、if else、异常处理、线程恢复，都依赖其完成。

2.2.3 虚拟机栈（Java栈、Java方法栈）

java方法执行的过程中，不停的将方法对应的栈帧压入栈中。执行完之后，将会将栈帧进行出栈。

1. 什么是栈帧：
   

• 局部变量表存储了定义的每个变量。
• 操作数栈用来记录要进行操作的数。

这里给一个小例子，用来方便理解操作数栈

public static void main(String[] args) {
    
    
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = a+b;
}

在执行操作的时候，会先将树放到操作数栈内，然后根据不同的指令将操作数放入到局部变量表，不同的变量具体对应的变量内。

2.2.4 本地方法栈

概念：
在Java中定义，但是由其它语言实现的方法。例如：native method方法。

2.2.5 堆以及堆中的各个区域作用

2.2.5.1 概念：

• JVM规范中规定所有的对象和数组都该存放在堆中，在执行字节码指令时，将创建的对象存入堆中，对象对应的引用地址存入虚拟机栈中的栈帧中。
• 当方法执行完之后，创建的对象不会马上回收，而是等到jvm后台执行GC后，对象才会被回收。

2.2.5.2 堆内存设置：

• -Xms：（memory start），用来指定初始化内存的大小。
• -Xmx：（memory max），指定堆的最大内存大小。
• 一般会把 -Xms和-Xmx的值设置为一样，这样Jvm在GC之后，就不需要去修改堆内的内存大小了

我们可以自己实践来查看指定的堆的大小
启动jar包：

java -XX:NativeMemoryTracking=summary -Xms1024m -Xmx1024m -jar  jar包路径 

使用jcmd命令查看

//1.jcmd 查看进程号
jcmd 
//2. 根据进程号查看堆的使用情况
jcmd 进程id VM.native_memory summary

2.2.5.3 堆初始化大小：

• 初始化内存大小：物理内存/64
• 最大内存大小：物理内存/4

2.2.5.4 新生代与老年代

• 新生代存放的是刚刚创建的对象
• 老年代存放的是经过多次GC之后，仍然存在的对象
• 新生代与老年代默认的比例为 1:2 ,一遍不需要调整，除非明确知道存活时间较久的对象更多，则需要调大老年代占比。

2.2.5.5 对象流转过程

• 新生代分为三块区域，分别是 Eden、S0、S1。三块区域，新对象创建出来，会先放到Eden区内，当进行一次Youg GC之后，剩余的对象将会转移到S0，并且增加一个GC次数的表示。在阈值到达之前，都会在S0-S1，反复转移。知道达到GC的阈值，才会进入老年代。
• 如果创建的大对象，从Eden区域出来之后，无法放入 S0，S1，区域，对象在经历过一次GC之后，将会直接进入老年代。
• 如果创建的是超大对象，无法放入Eden区的话，创建的对象将会直接存入老年代。

2.3 垃圾回收

2.3.1 概念

垃圾指的是JVM中，没有任何引用指向它的对象。如果不清理这些垃圾对象，那么它们就会一直占用内存，而无法给其他对象使用，最终垃圾对象越来越多，直到OOM。

2.3.2 寻找垃圾对象方法

引用计数法：

• 每个对象都保存一个引用计数器属性，用户记录对象被引用的次数。
• 实现起来简单，但是需要额外的空间来存储引用数，维护引用数。并且无法处理循环引用问题。
  可达性分析法：
  从GCRoot开始，寻找到可达对象，不可达的就是失去引用的对象。
  GCRoot：
• 正在执行的方法的参数、局部变量引用的对象
• 本地方法栈正在执行的方法的参数、局部变量所对应对象的引用
• 方法区中保存的类的静态属性对应的对象引用
• 方法区中保存的类信息中的常量属性对应的对象引用
  

2.3.3 垃圾回收算法

标记-清除算法：

• 非常基础，常用的垃圾回收算法。分为两个阶段。
• 标记阶段：从GCRoot 开发遍历，找打可达对象，并且在对象头中标记
• 清除阶段：堆内存空间进行线性遍历，如果发现对象头中未标记为可达对象，则进行回收
  
• 存在问题：效率不高，会产生内存碎片问题。由于回收过后，内存是不连续的，新加入的大的对象可能无法存放

复制算法：

• 将内存空间分为两块，每次使用其中一块，在进行垃圾回收时，将可达对象复制到没有被使用的内存块中，然后再清除当前内存块的对象。后续按照相同的流程进行垃圾回收。
• 这种算法解决了标记清除算法，存在的碎片问题。
• 如果可达对象比较多，垃圾对象少，复制算法效率就比较低。其适合新生代的垃圾回收。
• 始终有一半空间是空闲的。可能需要频繁修改栈内引用指向的堆内对象的地址。
  

标记整理算法：

• 结合了标记清除和复制算法的优点。首先标记可达对象，将所有存活对象移动到内存的一段，最后清理边界外所有空间。
  

算法对比：

-	标记-清除	标记-整理	复制
速度	中能	最慢	最快
空间开销	少（有碎片）	少（无碎片）	最多
移动对象	否	是	是

2.3.4 常见的垃圾回收器

三：总结提升

本文总结了Java的JVM虚拟机的整体结构，以及各个结构对应的大概功能，此文章正如标题所说，是属于扫盲篇。希望大家看完之后，能对整个JVM的整个结构，各个结构功能有想应的了解。如果大家感兴趣，还请持续关注我，接下来会更新一些JVM其它相关知识。