JVM - JavaEE初阶最后一篇 - 细节狂魔

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前言

JVM 的定位 和 多线程进阶 是一样的，都是 “八股文”。
我们学习它的唯一目的：就是为了应付面试.

换句话来说：
在实际工作中，基本不会用到本章节学习的知识。

JVM

本文主要讲解的重点：

1、JVM 内存区域划分
2、JVM 类加载机制
3、JVM 的垃圾回收 【重点】

实话说：学习这些东西，对我们的日常工作，没有任何帮助！
除非，你的工作就是开发 JVM 的。
但是呢，开发 JVM 是 C++ 程序员干的事请。
因为我们 Java 底层代码的实现几乎都是基于 C 和 C++ 来实现的。
因此，开发 JVM 这件事，还轮不到我们 Java 程序员。
故：一般情况下，我们java程序员是不需要使用 JVM 内部的东西的。

那我们为什么要学？
因为面试要考。

有些朋友可能就会产生疑问了：我们又用不到 JVM ，为什么面试要考呢？

大概在10多年前，面试是没有考 JVM 的。
之所以 现在的面试都会考，是因为 一本书！

其实很多东西成为了面试题，不是因为它对于工作帮助非常大。
而是因为一个字：卷！
正是因为我们中国人太卷了！
因此，卷着卷着，就卷出了一些更难的问题！

因此，不难想象：在未来的圈子里，一定还会出现更卷的东西！类似于 八股文 这样的东西。

1、JVM 内存区域划分

JVM 运行时数据区（内存区域划分）

JVM 运行时数据区域也叫内存布局，但需要注意的是：它和 Java 内存模型（Java Memory Model，简称JMM）完全不同，属于完全不同的两个概念，

JVM，主要由以下 几个区域组成：
1、程序计数器
2、栈
3、堆
4、方法区

这里就有一个问题：为什么要划分出这些区域？

其实，很是很好理解的！
举个例子：
假设我们买了个房子，或者租了一个房子，房子到手，肯定是需要装修的，对不对！

1、程序计数器

程序计数器，这个区域在内存中是最小的一块。

其作用：就是保存了下一条执行的指令的地址在哪。

大家要明确：
指令，就是字节码（就编译产生的字节码文件【后缀 .class】）
程序 要想运行，JVM 就得把 字节码文件 加载起来，放到内存中。
相当于：这些指令都被放在内存中了。

放到内存中之后
程序就会把一条条指令，从内存中取出来，放到 CPU 上执行。
也就是说：有一个执行的过程。

既然有一个执行的过程，也就需要随时记住，当前执行到哪一条指令了。

另外，再补充一点：
正因为操作系统是以线程为单位进行调度执行的，每个线程都需要记录自己的执行位置。
因此，程序计数器，每个线程都会有一个。

需要注意的是：这个东西（程序计数器），我们在编写代码的过程中，是感知不到的。
但是它切切实实存在的！
能够帮助我们的程序进行运行。
比如：
你想把 程序计数器 取出来，看看里面存的是什么？
对不起，我们是做不到！
但是，并不会影响到 它的存在，也不会影响到它的工作流程。

2、栈

栈里面存储的是：
1、局部变量
2、方法调用信息

当我们进行方法调用的时候，每次调用一个新的方法，都会涉及到“入栈”操作。
每次执行完了一个方法，都会涉及到“出栈”操作

需要注意的是：
这里说的栈，虽然值得是 JVM 内存中的一个部分。
但是这里的工作过程是和数据结构中的栈，非常类似的。

然后，每个像 方法A 和 B，这样的元素，我们给它起了一个名字。
叫做：栈帧

像 idea 在 测试 / 程序抛异常 的时候，它都能让我们看到 当前的调用栈信息。
调用栈信息：方法之间都是怎么调用过来的
这个过程就是靠读取上述的 栈 空间中的数据。

就相当于是 JVM，或者说是 idea，这些 调试器，读取了栈里面的信息，然后把信息给我们打印一下。此时，我们就能够看到里面的内容了。

每个栈帧里面，数据是如何排列的，也有一些规则。

入栈，出栈操作，具体是怎么实现的，里面也有一些技巧和细节。

由于我们是 java 方向的，因此本文不做过多介绍。
不过，你们可以参考这篇C语言的[函数栈帧](https://blog.csdn.net/DarkAndGrey/article/details/119826033?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522165643327916780357282733%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=165643327916780357282733&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2blogfirst_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-4-119826033-null-null.article_score_rank_blog&utm_term=%E5%87%BD%E6%95%B0&spm=1018.2226.30 01.4450)
但是！ 隔壁 C++ 他们会详细研究这个。

在讲的时候，我们说到过：如果一直这样一个方法调用另一个方法，就会在栈上开辟一块有一块的空间，最终就会导致 栈溢出【Stack Overflow】

这是因为 栈的空间，确实比较小。
在 JVM 中可以配置 栈空间的大小，但是一般也就是 几 M 到 几十 M。
栈就这么大，因此栈是很有可能会溢出的！

如果你正常写代码，一般是没有事的。
但是！就怕你使用递归，还没有终止条件，它就会一直递归调用方法。
因此，最可能出现 栈溢出 的问题，就是 递归。

3、堆

堆，也是我们最常使用的一块空间。

堆 与 前面讲的 栈 和 程序技术器，不一样！
栈 和 程序计数器，是每一个线程都有一份的。

但是！堆 是 一个进程 只有一份，多个线程共用一个堆。
因此，堆也是 JVM内存中 所占空间最大的区域。

那么，堆里面主要存储一些什么数据呢？

1、new 出来的对象，就是在堆中
2、对象的成员变量，自然也就在 堆中。

另外，堆 与 栈 的资源开销都是特别大的。

栈上开辟一块空间的速度是非常快的。只需要简单改一个计算器的值，进行一个加减法就行了。
而在 堆上 开辟一块内存，就挺麻烦的。
它就需要去操作 系统内核中的一些重要的数据结构。
因此，在堆上开辟空间的开销要更比栈更大一些。
在这里，我们不作过多的讨论。
我们只需要知道：堆的空间比较大，但是操作速度比栈更慢一点。

另外，再补充一点。

网上有一种说法：
内置类型的变量，在栈上
引用类型的变量，栈堆上
思考一个问题：这种说法是否正确？
这显然是一个非常错误的说法！！！
正确的说法：
局部变量，在栈上
成员变量 和 new 的对象，在堆上。
大家要明确：
我们的变量，到底是在栈上，还是堆上；和你是不是 内置类型 和 引用类型 无关！
也就是 变量的类型，并不会影响 变量 存储的位置。

真正影响变量存储位置的原因： 主要在于 变量 是以 局部变量 形态 出现，还是以 成员变量出现的。
在读的朋友们，可能还有一些朋友不知道为什么 网上的说法是错误的！
这是因为 我们在 看到 引用类型变量的时候，就会联想到对象。
从而会认为 引用类型的变量 是存储在 堆上的。
其实不是的！下面我们就来分析一下

4、方法区

在方法区中，存储的是 “类对象”

类对象，这个我讲过很多次了。
我们的 . java 文件，经过编译器编译之后，会生成一个 .class 文件（二进制字节码）。
在程序被执行的时候，,class文件 会被 加载到 内存中，也就被 JVM 构造成了类对象。
这个加载的过程，我们称为 “类加载”。

这里的类对象，就是放到方法区中。

类对象里面都有哪些东西呢？

类对象就描述了 这个类 “长什么样”：
类的名字是什么，里面都有哪些成员，方法；
以及每个成员的名字叫什么，类型是什么，其修饰词是那个（public/private/protect）；
每个方法叫什么名字，是什么类型（public/private/protect），方法里面又有哪些指令。
东西还有多，这里就不列举了。
总之，与类相关的信息，都是在这个类对象里 。

另外，再补充一点： 类对象里面还有一个很重要的东西：静态成员。
换句话来说：static 修饰的成员（变量/方法），成为了 “类属性”。
而普通的成员，叫做 “实例属性”。
另外，static单词本身的意思 和 “类属性” 无关！！！
这是一个历史遗留问题，这里就不再讨论。
【PS：我好像在前面的那篇文章中讲到过：反正就是 方便去添加新的功能】

总结： JVM 内存分配总图

这里更详细一些。

多的不再讲，把我前面写的那些，搞清楚就可以了。
至于这里面的有些东西，后面还会在补充图。
比如：
垃圾回收，就会牵扯到 堆里面的东西。

另外，上述学习的这个内容区域的划分，不一定是符合实际情况的。
JVM 在实现的时候，具体怎么划分这个区域，不一定完全相同，不同厂商，不同版本的 JVM 实现上可以会存在一些差异。
比如：
上图中的 元数据区，有的 JVM 就没有这一块。

像这里面的常量池，有些 JVM 就可能会把它放在 堆上。
这里就不做深究，除非你是真的要实现一个 JVM，那你课可以继续深究。
我这里就直接略过了。

2、JVM 类加载机制

类加载，其实是设计一个 运行时环境 的 重要的核心功能。

我们这里还是以应付面试为目的！
重点去学习其中的 常见面试题即可。
还是那句话：
JVM 类加载机制，其实是一个大话题。
想要实现 这样的一个运行时环境，像 JVM 这样的一个东西。
要依赖的知识有很多：
1、理解编译器是怎么工作的
2、理解操作系统内核的一些东西
3、理解 CPU 的执行过程
4、还需要对这个语言的语法结构，非常熟悉。
。。。
总之，很麻烦很麻烦！
因此，我们在这里还是简单介绍。
为了面试！cheers！

类加载是干什么的？

把 .class文件，加载到 内存中，然后，构建成类对象
下面，我们来看看 类加载的流程图 / 类的生命周期
参考文献JavaSE的官方文档

类加载需要经过的几个步骤

1、Loading - 加载

2、Linking - 连接

Linking - 连接，一般就是建立好多个实体之间的联系。

这里的实体，你可以暂且理解为 是 类对象 中 常量池中元素的内容。
根据其元素内容（编号），将对应值联系起来。
不仅仅是和 元素结构体，建立关系，更是为了 建立 与 类对象 的关系。
毕竟这些联系起来的数据，最终都是要填入 类对象中的。

3、initialization（初始化）

真正对 类对象 进行初始化，尤其是 针对静态成员。

在前面 Linking 的 preparation（准备）阶段，只是给静态成员分配内存，并给予初始值（默认值），有没有初始化？没有！
此时，就需要根据我们所写的代码，把静态变量后面的表达式进行求值；该去new的，就去new，该执行什么方法，就执行什么方法。
最终完成这样的一个初始化过程。

小结

类加载是把 .class 文件 加载到内存中，生成一个 类对象。
其中徐亚经过 3 个步骤：Loading，Linking，initialization

Loading（下载）环节： 对class文件进行读取并解析，生成一个“初步简陋”的类对象。（不完成形态）

Linking（连接）环节：可以分为三个阶段
Verification（验证）：验证 初步生成的类对象 中的数据格式，是否符合 《Java虚拟机规范》中的要求。如果不符合，类加载就会失败，并抛出异常。
反之，通过了验证环节，就会进入下一步。
Preparation（准备）：此时，就会针对静态变量进行分配空间，基于 初始值 / 默认值。
resolution（解析）：将 常量池的中元素，根据其内容中的编号，找到对应的数据，填入类对象中。
需要注意的是，这里只是分配的空间，找到了对应的数据。
但是还没有进行初始化赋值，只是把数据和内存给准备好了。

initialization（初始化）：这里才是真正对 静态变量进行初始化赋值

经过上面，这一系列操作，我们就可以得到一个完整的类对象了。
而这个过程，就被称为 类加载。

我们学习这块的目的，就是为了 面试 / 笔试 的时候，能够应付一些相关的问题。
大家要能够知道 class文件 最终是如何真正执行起来的。

经典面试题

在正式进入面试题讲解之前，我们先来看一个例题。
可以参考[ClassAndObject -类与对象]
大家在做题的时候，一定要认真看！
看这个代码是怎么写的！！！
存在怎样的联系！！！

双亲委派模型

这个！面试特别爱考！！！！

首先，这个东西不重要。
其次，这个东西也不难理解。
再然后，这东西工作中也用不到。
最后，这个东西也没有什么知道意义
那么，为什么还爱考这个呢？
只因为这个东西 有个高大上的名字！！！

Java 这个圈子里，是特别喜欢：搞一些 高大上的术语的。
我怀疑 它在 装杯，但是我没有证据！！！
像这样的术语，还有很多！！
比如：
1、自动 拆/装 箱【就是 普通类 与其 对应的包装类 之间，进行的隐式类型转换】
2、Bean
3、IOC，DI，AOP，事务传播机制【spring的内容】
。。。
其实上面的这些东西，并不复杂！理解起来，也并不困难！
但是呢，就喜欢那种 装杯 的感觉。【用一些高大上的名字去表示它们】

其实生活中，也有很多这样例子：
1、宫廷玉液酒 – 二锅头 兑 白开水
2、群英荟萃 – 一堆萝卜
。。。。
大家在学习 Java的时候，不要被它的某些词汇给护住了！！！
其实，也就是那样。

双亲委派模型，是类加载中的一个环节。
这个环节处于 Loading 阶段 的 比较靠前的部分。

Loading环节，主要是先找到对应 class文件，然后打开并读取 class文件，同时初步生成一个类对象。
双亲委派模型，它描述的就是：JVM中的类加载器，如何根据类的全限定名（java.lang.String）来找到 .class文件 的过程。
简单来说：双亲委派模型，就是一个找文件的过程。
这个找文件的过程，是一个很小的环节，甚至不属于核心环节。

核心环节：解析class文件，构造一个类对象，验证，初始化。。。。这些才是核心环节。

那么，问题来了：具体是怎么去找文件的呢？

在了解找文件的过程之前，我们需要先了解 类加载器。
在 JVM 里 提供了专门的对象，叫做 类加载器。
类加载器，负责进行类加载。
当然找文件的过程也是类加载器负责的。

.class 文件，可能放置的位置有很多，有的要放到 jdk 目录里，有的放到项目目录里，还有的在其它特定的位置…
也就是说： .class文件 可以存放的位置有很多。
所以，为了更方便的找到 .class 文件。
于是我们的 JVM 里面提供了 多个类加载器。每个类加载器负责一个片区。
这个类加载亲负责一片区域，那一个类加载负责另一片区域。。。。
简单来说：每个类加载器负责区域是不一样的。

默认的类加载，主要与三个：
1、BootStrapClassLoader【模拟线路类加载器】
2、ExtensionClassLoader【扩展类加载器】
3、ApplicationClassLoader【应用类加载器】

其实，“双亲委派模型” 就跟我们以后在公司工作一样。

那么，问题来了：JVM 为什么要这样去设计？

理由就是：
一旦程序员自己写的类，和标准库中某个类的全限定类名重复了，也能够顺利的加载到标准库中的类！！！
其目的，就是为了保证 里面 加载类 的 唯一性。

还有一个问题：如果是自定义的类加载器，是否也需要遵守“双亲委派模型”？

可以遵守，也可以不遵守。
主要看实际需求！
比如：
像 Tomcat 加载 webapps 中的类，就没有遵守。
因为遵守了，也没有意义！
毕竟，这里的这些类，都是我们程序员写好了的，自己往上面部署的。
如果 自己 当前这个 专属的类加载器 都找不到，你还能指望 标准库中的类加载器 来找到吗？
不现实！
因为，这些类一定是程序员自己定义的，是绝对不可能出现在 标准库中的！！！
所以，Tomcat 就没有做这个多余的动作！

总结

双亲委派模型，只是 JVM 实现中的 一个小小的规则和细节。
只不过说这个东西，有个好名字，于是才火了。

类似的规则和细节，在 JVM 中可以说是非常非常多的！
只不过，在面试中，没有被提到。
名字，可能是一个原因。
更主要的是：程序员 对 JVM 的理解 并不深刻！

3、JVM 的垃圾回收 【重点】

垃圾回收，又称 GC（Garbage collector - 垃圾回收器）

我们写代码的时候，经常会申请内存！！！
那什么时候会申请内存？
1、创建变量
2、new 对象
3、加载库的时候
。。。。。。。
这些操作，都是要去申请内存的。
毕竟，我们程序要想运行，离不开硬件上的支持。
而 内存，又是我们整个计算机中最最关键的硬件设备之一。

俗话说得好：有借有还，再借不难。
内存从哪里申请呢？从操作系统申请！
但是 你不能一直占这不放，在你不使用这块内存的时候，是要还给操作系统的！

我们一般说：
申请内存的时机，一般都是明确的。
而 释放内存的时期，则不是那么清楚的！！
意思就是说：
思考一下，我们一般什么时候申请内存？
在我们需要保存 某个 / 某些 数据的时候，就需要 申请内存。
那什么时候，释放内存？
当这块内存，我们不用了的时候，才会去释放【回收】。
垃圾回收，就是把我们不需要内存空间给回收。

但是！问题来了：什么叫做不用了？如何才能判断这块内存已经不需要了，需要进行 “垃圾回收” ？

这个其实不好判断！
我们来举个例子，来了解这其中的意思。

通过对于 内存释放的问题，我们引出了 Java 的 垃圾回收机制。
并且，该机制在大部分主流的语言中，都应用了。

有人可能豁然开朗，怪不得 Java 的算法，执行不是很高效。

其实刷过题的朋友
会发现：在牛客 / LeetCode 上，写算法题的时候，不同的编程语言，对于 时间/空间 的要求是不一样的！
话虽如此，但是在这些语言中，Java 在性能上来说，也是相当能打的。
在执行同一个程序的时候：
java执行的时间，一般是 C++ 的 1.5~2 倍。
两者的执行时间，基本非常接近，甚至有的时候，能打平！
两者之间的关系，就好比 12900 KS 和 12900 之间的差别。
相差甚微，都是天花板级别的。

但是！像 Python 这种，特别慢！
慢的时候，可能是 C++ 的 100 倍。（这可能就是一个 赛扬的水平。。。）

Go 语言执行速度也很快，但是比 Java 慢不少。
但是 比 Python 快不少。
大概 是 C++ 的 10倍 多吧【说不准。。】
Go的优势在于：语法的简洁。
而 Java 有时候 比较啰嗦。
这也是 Go 火的原因。

通过上述的内容，我们知道了 垃圾回收 是干什么的。
下面，我们就来 看看 Java 的垃圾回收，具体是回收什么“垃圾”。

由上述内容，我们可以得出宇哥结论。

垃圾回收机制，主要是回收堆上的对象。
回收的单位是：对象（一个完整的对象）

这里再补充一点：

GC 会提高程序员的开发效果，但是降低了 程序自身的运行效率。

那么，这里就会有一个问题：是开发效率重要，还是运行效率重要？
那肯定是 开发效率 更重要！
你这么去想：运行效率低，但是是电脑在工作，不是人。
让电脑多做一些事情，那是应该的。
而且 运行效率低，无非就是 执行时间稍微长一点，就是多耗一点电嘛！
而开发效率低了，不但要加班加点，而且，万一项目没有指定时间开发出来，又会扣奖金。
幸福感 直接反向 拉满！！！

下面我们来看一下，垃圾回收具体是怎么回收的、

找垃圾

先来看 第一个 垃圾判断方案 ： 引用计数

整体来说：
引用计数的方案，确实能够解决问题。
但是 光使用 引用计数，是存在限制的。

所以像 Python ，PHP 进行 GC 也不是只考虑 引用计数，还依赖了其它的机制进行配合。
而在 Java中，直接就不使用 引用计数 了！
直接采用的 可达性分析 分析 方案。
这也是下面我们要讲的内容

第二种 找垃圾 / 判断垃圾 的方案 ： 可达性分析。
PS: Java 所采用的方案。

可达性分析是通过 额外的线程，定期的针对整个内存空间的对象进行扫描。
怎么扫描呢？
它有一些 起始位置，统称为 GCRoots。
从这个 GCRoots 出发，它会 类似于 深度优先遍历一样，把可以访问到的对象都标记一遍。
也就是说：带有标记的对象就是 可达的对象。
可达的对象：有引用变量指向它，可通过 引用变量 访问到的对象。

反之，没有被标记的对象，就是 不可达的对象，
不可达的对象：没有 引用变量 指向它，无妨被访问到的对象。
此时，这个不可达对象，就是 垃圾。
我们下面来看例子：
可参考文章学习二叉树 这一篇就够了

由此，我们可以得出结论：

可达性分析的优点，就是克服了 引用计数的两个缺陷【空间利用率低 和 循环引用】。
同时缺点也很明显！系统开销大，遍历一次可能比较慢。
主要就是因为 标记垃圾，这件事，很拖慢效率。

所以，我们后面遇到的大部分 垃圾回收器，很多就是 针对 扫描，这一块进行优化。

总结

找垃圾，核心就是确认这个对象，在未来是否还会被使用？

那么，什么算是不会再使用了？
没有引用指向的对象，就是不会再使用了。
此时，这些对象就是垃圾。

无论是 引用计数，还是 可达性分析，都是基于 引用来判断 对象，是不是垃圾。

释放垃圾

确定了垃圾之后，接下来就是回收垃圾了。

就像打扫房间一下，你肯定是需要先确定 垃圾，然后将它清除。
而不是说，不管三七二十一，把房间里的东西一锅端了吧？？

回收垃圾 ( 释放内存 ) 有三种基本策略：

1、标记 - 清除
2、复制算法
3、标记 - 整理

1、标记 - 清除

2、复制算法

为了解决标记-清除 方法 带来的 内存碎片 的问题。
我们引入了 复制算法！

3、标记 - 整理

这里是 针对赋值算法，再做出改进。

总结

关于垃圾回收，我们有三种思路。
但是我们发现，每种思路自身都有着一些缺陷。
总的来说：在进行垃圾回收的时候，无论单独使用哪种方法，效果都不是很好。

实际 JVM 中的实现，会把多种方案结合起来使用。
这个思路，我们称为 “分代回收”。

分代回收，是根据 对象的 “年龄”，把 对象分成了不同的类。

上述过程都是面试中的经典问题。
再来给你们举个例子，加深你们对 分代回收 的理解。

补充：
在 分代回收 中，还有一个特殊情况！！
有一类对象可以直接进入老年代！
大对象，占有内存多的对象，可以直接进入老年代。
因为 大对象的拷贝开销比较大，不适合 使用 复制算法。
这就好比：大佬，都是名校保送的！！！ 是不需要进行高考的！

垃圾回收器 / 垃圾收集器

上面说的 找垃圾 和 释放垃圾，说的都是 算法思维，不是具体落地实现。
在 JVM 里面，真正实现上述算法的模块，称为 “垃圾回收器”。
垃圾回收器，才是真正负责 垃圾回收 的机制。

垃圾回收器的种类有很多。
这是因为 垃圾回收，这件事情，一直不停的往前发展。
在接下来 要讲解的几个 垃圾回收器，有一些设计的并不是很合理。
我就简单介绍一下，就跳过。

汇总

本文重心，在于 垃圾回收的算法（引用计数 + 可达性分析 + 标记-清除 + 复制算法 + 标记-整理 + 分代回收）。
至于这些垃圾收集器，大家简答了解一下，即可。
另外， Java 从 11 大版本开始，JVM 就开始使用 G1 了。

需要注意的是：这里的G1，并不是完全体！
更高的版本里，还有 ZGC 等等。。。更先进的 垃圾回收器。
垃圾回收机制，这一块是在不断进步中的！！！

我们现在使用的 Java8 使用的是 CMS。