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JVM（类加载、运行时数据区、堆内存、方法区、本地接口、执行引擎和垃圾回收）java虚拟机（JVM）的超详细知识点

• 行业观察

JVM虚拟机

  • 一、JVM的概述
    • 1.为什么要学习JVM
    • 2.虚拟机
    • 3.JVM的作用
      • 作用
      • 特点
    • 4.JVM的位置
    • 5.JVM的分类
    • 6.各个组成部分的用途
    • 7.Java 代码的执行流程
    • 8.JVM 架构模型
  • 二、JVM 结构-类加载
    • 1. 类加载子系统
    • 2.类加载的角色
    • 3.类加载过程
      • 加载
      • 连接
      • 初始化
    • 4.类加载器
    • 5.双亲委派机制
    • 6.类的主动使用/被动使用
  • 三、JVM 运行时数据区
    • 运行时数据区的概念和组成
      • 1.程序计数器
      • 2.java虚拟机栈
      • 3.本地方法栈
      • 4.java堆内存 *
      • 5.方法区
  • 四、本地方法接口
    • 1.什么是本地方法
    • 2.为什么要使用 Native Method
  • 五、执行引擎
    • 1.概述
    • 2.什么是解释器，什么是JIT编译器
    • 3.为什么Java是半编译半解释型语言
  • 六、垃圾回收
    • 1.垃圾回收的概述
      • 什么是垃圾/li>
      • 为什么需要 GC/li>
      • 早期垃圾回收
      • 垃圾回收机制
    • 2.垃圾回收的相关算法
      • 3.垃圾回收中的相关概念

一、JVM的概述

1.为什么要学习JVM

    JVM是java底层代码的运行机制，虽然我们不学习jvm，也可以写出漂亮的代码，但是在一些面试过程中，不懂JVM会被面试官虐的体无完肤。一切知识点都是为了面试而准备，当然，这也是作为一个中高级程序员的必修之课。学会了JVM，才能清楚项目管理和性能调优的基本原理。

2.虚拟机

    1.所谓虚拟机（Virtual Machine），就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执 行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
    2.大名鼎鼎的 VMware 就属于系统虚拟机，它是完全对物理计算机的仿真，提供了一 个可运行完整操作系统的软件平台。程序虚拟机典型的代表就是 java 虚拟机了，它专门为 执行某个单个计算机程序而设计。在 java 虚拟机中执行的指令我们称为 java 字节码指令。
    3.Java 虚拟机是一种执行 java 字节码文件的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制。
    4.Java 技术的核心就是 java 虚拟机，因为所有的 java 程序都运行在 java 虚拟机内部。

3.JVM的作用

作用

    我们都知道JVM是java代码的运行环境，他是JDK不可或缺的一部分，而java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装在字节码到内部。，解释/编译为对应平台上的机器码指令执行。对每一条 java 指令，java 虚拟机中都有详细定义。如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪儿

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现在的 JVM 不仅可以执行 java 字节码文件,还可以执行其他语言编译后的字节码文件,是一 个跨语言平台。

4.JVM的位置

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5.JVM的分类

  1. 类加载器（ClassLoader）
  2. 运行时数据区（Runtime Data Area）
  3. 执行引擎（Execution Engine）
  4. 本地库接口（Native Interface）

简图:

JVM（类加载、运行时数据区、堆内存、方法区、本地接口、执行引擎和垃圾回收）java虚拟机（JVM）的超详细知识点

6.各个组成部分的用途

程序在执行之前先要把 java 代码转换成字节码（class 文件），jvm 首先需要把字节码通过一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中 的运行时数据区（Runtime Data Area），而字节码文件是 jvm 的一套指 令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器将字节码翻译成底层系统指令再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口来实现整个程序的功能，这就是这 4 个主要组成部分的职责与功能
而我们通常所说的 JVM 组成指的是运行时数据区（Runtime Data Area），因为通常需要程序员调试分析的区域就是“运行时数据区”，或者 更具体的来说就是“运行时数据区”里面的 Heap（堆）模块。

7.Java 代码的执行流程

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JVM 主要任务就是负责将字节码装载到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。JVM 使用类加载器（Class Loader）装载 class 文件。 类加载完成后，会进行字节码校验，字节码校验通过之后 JVM 解释器会把字节 码翻译成机器码交由操作系统执行。

8.JVM 架构模型

    Java 编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构,另一种指令集架构 是基于寄存器的指令集架构.

    这两种架构之间的区别:
基于栈式架构的特点

  1. 设计和实现更简单,适用于资源受限的系统.
  2. 使用零地址指令方式分配,其执行过程依赖于操作栈,指令集更小,编译器容易实现
  3. 不需要硬件支持,可移植性好,更好实现跨平台.

基于寄存器式架构特点:

  1. 指令完全依赖于硬件,可移植性差.
  2. 性能优秀,执行更高效.
  3. 完成一项操作使用的指令更少.

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类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载 class 文件。

2.类加载的角色

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加载

  1. 根据类的地址,从硬盘上读取类的信息,
  2. 将信息读入到方法区,生成Class类的对象

连接

    验证: 验证字节码文件格式是否是当前虚拟机所支持的文件格式,语法格式
    准备: 为静态成员分配默认值(int 默认值0) 注意static final在编译期间赋值
    解析: 将字节码中符号引用 替换成 直接引用

初始化

  类在什么时候开始初始化/strong>

  1. )创建类的实例，也就是 new 一个对象
  2. 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
  3. 调用类的静态方法
  4. 反射（Class.forName(“”)）
  5. 初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）

  类初始化的数据

  1. 先初始化静态的,多个静态的按照从上向下的顺序执行,
  2. 如果类有父类,则先初始化父类的静态,然后是子类.
  3. 如果是创建对象,先调用父类的构造方法,然后是子类自己的构造方法

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4.类加载器

从JVM来说，类加载器可以分为两种

  1. 启动类加载器（不是java语言写的）
  2. 其他所有类加载器（都是java语言写的，且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader.）
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    工作原理：
    1. 如果一个类加载器收到了类加载请求,它并不会自己先去加载,而是把这个请 求委托给父类的加载器去执行.
    2. 如果父类加载器还存在其父类加载器,则进一步向上委托,依次递归,请求最终将到达顶层的启动类加载器.
    3. 如果父类加载器可以完成类的加载任务,就成功返回,倘若父类加载器无法完 成加载任务,子加载器才会尝试自己去加载,这就是双亲委派机制.
    4. 如果均加载失败，就会抛出 ClassNotFoundException 异常。

    目的: 为了安全考虑 避免了用户自己写的类覆盖了系统中的类.
    为什么要用到双亲委派机制如我们建一个java.lang包，里面class一个String类，我们加载类时，加载的是直接的类还是JDK的类呢br>

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    双亲委派优点
    1. 安全，可避免用户自己编写的类动态替换 Java 的核心类，如 java.lang.String
    2. 避免全限定命名的类重复加载(使用了 findLoadClass()判断当前类是否已加 载)

    6.类的主动使用/被动使用

    JVM 规定,每个类或者接口被首次主动使用时才对其进行初始化,有主动使用,自然就有被动使用.
        主动使用:

    1. 通过new关键字被导致类的初始化
    2. 访问类的静态变量、静态方法
    3. 对某个类进行反射操作
    4. 初始化子类，父类也会被初始化
    5. 执行main方法

        被动使用:

    1. 仅仅使用类的静态常量 而且是直接赋字面量的那种，比如
      public final static int NUMBER = 5 ; //不会导致类初始化,被动使用
      public final static int RANDOM = new Random().nextInt() ; //会导致类的初 始化,主动使用
    2. 构造某个类的数组时不会导致该类的初始化
      比如：Student[] students = new Student[10] ;

    主动使用和被动使用的区别在于类是否会被初始化.

    三、JVM 运行时数据区

    运行时数据区的概念和组成

    JVM 的运行时数据区，不同虚拟机实现可能略微有所不同，但都会遵从Java 虚拟机规范，Java 8 虚拟机规范规定，Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几 个运行时数据区域： 程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈、java堆内存和方法区

    JVM（类加载、运行时数据区、堆内存、方法区、本地接口、执行引擎和垃圾回收）java虚拟机（JVM）的超详细知识点
    1. Java 和 C++语言的区别，就在于垃圾收集技术和内存动态分配上，C++语 言没有垃圾收集技术，需要程序员手动的收集。
    2. .垃圾收集，不是 Java 语言的伴生产物。早在 1960 年，第一门开始使用内存 动态分配和垃圾收集技术的 Lisp 语言诞生。
    3. 关于垃圾收集有三个经典问题：哪些内存需要回收什么时候回收如何回收/li>
    4. 垃圾收集机制是 Java 的招牌能力，极大地提高了开发效率。

    总结： 垃圾收集机制并不是java语言首创的，但是又是java的招牌，java可以自动垃圾回收。

    什么是垃圾/h3>

    垃圾是指在运行程序中没有任何引用指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾。

    为什么需要 GC/h3>

    垃圾如果不及时清理，越积越多，可能会导致内存溢出。
    垃圾多了,内存碎片较多 例如数组 需要连续空间

    早期垃圾回收

         在早期的 C/C++时代，垃圾回收基本上是手工进行的。开发人员可以使用 new 关键字进行内存申请，并使用 delete 关键字进行内存释放。比如以下代码：

         这种方式可以灵活控制内存释放的时间，但是会给开发人员带来频繁申请和释放 内存的管理负担。倘若有一处内存区间由于程序员编码的问题忘记被回收，那么 就会产生内存泄漏，垃圾对象永远无法被清除，随着系统运行时间的不断增长， 垃圾对象所耗内存可能持续上升，直到出现内存溢出并造成应用程序崩溃。

        有了垃圾回收机制后，上述代码极有可能变成这样

        java语言是自动垃圾收集的

    垃圾回收机制

        自动内存管理： 无需开发人员手动参与内存的分配与回收，这样降低内存泄漏和内存溢出的风险。以更专心地专注于业务开发。

        自动收集的担忧： 自动回收方便了程序员的开发,但是降低处理内存问题的能力。自动虽好,但是还是应该了解并掌握一些相关内存管理的知识.

    Java 堆是垃圾收集器的工作重点

    1. 频繁收集 Young 区

    2. 较少收集 Old 区

    3. 基本不收集元空间(方法区)

    2.垃圾回收的相关算法

        内存溢出与内存泄漏
        溢出：内存不够用了
        泄露：有些对象已经在程序不被使用了,但是垃圾回收机制并不能判定其为垃圾对象,不能将其回收掉。 这样的对象越积越多, 长久也会导致内存不够用.
        例如: 与数据库连接完之后,需要关闭连接通道,但是没有关闭。
                 io 读写完成后没有关闭

    垃圾收集算法分为两大类:
    1.垃圾标记阶段算法
        主要是来判定哪些对象已经不再被使用,标记为垃圾对象。判定对象为垃圾的标准: 不被任何引用所指向的对象. Object obj = new Object();

        垃圾回收阶段的算法：
    （1）引用计数算法(在jvm中不被使用)。如果有一个引用指向此对象,那么计数器加1. 如果没有引用指向,计数器为0, 此时就判定为垃圾.
        优点： 方便使用,设计简洁。
        缺点： 增加了计数器的存储空间,计数需要消耗时间。导致一个循环引用问题. 好几个对象之间相互引用,但是没有其他引用指向他们,此时垃圾回收不能回收他们,但是也没有引用指向. 这就造成了内存泄漏。

    （2）可达性分析算法 / 根搜素算法(这是java目前所使用的垃圾标记算法)：从一些活跃引用(GCRoots 根)开始, 如果对象被根直接或间接引用,那么此对象不是垃圾, 否则标记为垃圾对象。解决 了循环引用问题，设计简单 ，运行高效，防止内存泄漏。那么又一个问题，哪些引用被用来当做根呢br>

    JVM（类加载、运行时数据区、堆内存、方法区、本地接口、执行引擎和垃圾回收）java虚拟机（JVM）的超详细知识点

        可以本当做跟的引用：

    1. 虚拟机栈中引用的对象 (方法中引用的对象)
    2. 本地方法栈中引用的对象
    3. 静态变量所引用的对象
    4. 常量引用指向的对象
    5. 被synchronized当做锁的对象
    6. Java 虚拟机内部的引用

    总结: 栈中引用的(正在使用的) 方法区,常量池中(生命周期较长的),被synchronized当做锁的对象

    finalize() 方法机制
        java允许对象在销毁前去调用finalize(),去处理一些逻辑. 一般不用(不建议用)。不要自己显示的去调用finalize()方法，在里面写代码一定要慎重。 在 finalize()时可能会导致对象复活。 finalize()由垃圾回收器调用,没有固定的时间。一个糟糕的 finalize()会严重影响 GC 的性能。比如 finalize 是个死循环。
        对象状态:

    1. 可触及的：从根节点开始，可以到达这个对象 。 (没有被标记为垃圾)
    2. 可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象有可能在 finalize()中复活。 确定为垃圾了,但没有调用finalize()方法.
    3. 不可触及的：对象的 finalize()被调用，并且没有复活，那么就会进入不可触及 状态。不可触及的对象不可能被复活，因为 finalize()只会被调用一次.

    2.垃圾回收阶段算法

    （1）标记-清除算法
    分为两个阶段:

    1. 标记: 标记出从根可达的对象,标记的是被引用的对象.
    2. 清除: 此清除并非直接将垃圾对象清除掉， 而是将垃圾对象的地址维护到一个空闲列表中。之后如果有新的对象产生,判断空闲列表中的对象空间能否存放得下新的对象,如果能放得下,那么就覆盖垃 圾对象.

    优点: 简单,容易理解
    缺点: 效率低, 会产生STW(在回收时,停止整个应用程序), 会产生内存碎片.
    （2）复制算法
    将内存分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块儿区域即可。 当回收时,将不是垃圾的对象,复制到另一块内存中,排放整齐。 然后将原来的内存块清空，减少内存碎片。

    优点：运行高效,减少内存碎片
    缺点：用到两倍的内存空间 ,对于G1垃圾回收器,将每个区域又可以拆分成更多的小区域,需要维护各区之间的关系.在新生代中的幸存者0和幸存者1这两个区域使用复制算法.
    （3）标记压缩算法
    背景： 复制算法需要移动对象位置,移动的数量如果多的情况下,效率低. 对于新生代来讲还是不错的. 对于老年代,大量的对象是存活的. 如果需要移动就比较麻烦效率低.
    实现: 将存活对象标记出来,重新在本内存空间中排放位置，清除其他空间的垃圾对象.

    标记-清除 和 标记-压缩对比 标记清除是不移动对象, 不会把垃圾对象清除掉(维护在一个空闲列表中)； 标记-压缩是要移动对象的. 要清除掉垃圾对象.

    优点: 不会像标记-清除算法那样会产生内存碎片
    缺点: 效率相对低, 对象位置移动后需要重新设置对象地址, 也会有STW

    3.垃圾回收中的相关概念

    System.gc() 的理解 调用System.gc()方法,会触发FULL GC(整堆收集), 但是不一定调用后会立刻生效。因为垃圾回收是自动的。一般情况下,不要在项目中显示的去调用.

    Stop the World Stop the World –>STW 在垃圾回收时,会导致整个应用程序停止。 在标记垃圾对象时,需要以某个时间节点上内存中的情况进行分析(拍照 快照) 因为不进行停顿的话,内存中的对象不停的变化,导致分析结果不准确。 停顿是不可避免的,优秀的垃圾回收器尽可能减少停顿的时间.

    对象引用 Object obj = new Object(); 就是将对象分等级: 强引用(有引用指向的对象) 软引用 弱引用 虚引用(都是垃圾了)

    1. 强引用:Object obj = new Object(); obj引用创建的对象 那么此对象就是被强引用的。 这种情况下,即使内存不够用了，报内存溢出，也不会回收。
    2. 软引用:当内存足够使用时,先不回收这类对象,当虚拟机内存不够用时,要回收此类对象.
    3. 弱引用: 此类对象只能生存到下次垃圾回收时, 只要发生垃圾回收,就会回收此类对象.
    4. 虚引用:发现即回收.

    文章知识点与官方知识档案匹配，可进一步学习相关知识来源：我也曾把你举过头顶

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