JVM篇

1.Java文件从编译到执行的过程

简单总结来说，我认为就4个步骤：编译->加载->解释->执行

• 编译：将源码文件编译成JVM可以解释的class文件。编译过程中会对源代码程序做语法分析、语义分析、注解处理等操作，最后才生成字节码文件。
• 加载：将编译后的class文件加载到JVM中。在加载阶段有可以细化为几个步骤：装载->连接->初始化

• 装载：为了节省内存的开销哦，并不会一次性把所有的类都装载进JVM，而是等到有需要的时候才进行装载。(比如new和反射的方式)；class类时通过类加载器加载进JVM中，为了放置内存中出现多分同样的字节码，使用了双亲委派机制(它不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上)；JDK中的本地方法一般有根加载器(Bootstrp loader)装载，JDK中内部实现的扩展类一般由扩展加载器(ExtClassLoader)装载，而程序中的类文件则由系统加载器(AppClassLoader)实现装载。可以总结为，查找并加载类的二进制数据，在JVM堆中创建一个类的对象，并将类相关信息存储在JVM方法区中。

  通过装载这个步骤，现在已经把class文件装载到JVM中，并创建出对应的class对象以及类信息存储至方法区中了。

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  连接：这个阶段可以总结为，对class的信息进行验证、为类变量分配内存空间并对其赋默认值。由可以细化为几个步骤：验证->准备->解析。
• 验证：验证类是否符合Java规范和JVM规范。
• 准备：为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值。
• 解析：将符号引用转为直接引用的过程。
• 初始化：这个阶段可以理解为为类的静态变量赋予正确的初始值。过程大概就是收集class的静态变量、静态代码块、静态方法等等，随后从上往下开始执行
• 解释：这个阶段可以理解为：把字节码转换成操作系统可以识别的指令。在解释阶段会有两种方式把字节码信息解释成机器指令码，一个是字节码解释器、一个是即时编译器(JIT)。JVM会对热点代码(即调用频繁的代码)做编译，非热点代码直接进行解释。使用热点探测来检测是否为热点代码，一把有两种方式：计数器和抽样。HotSPot使用的是计数器，为每个方法准备了两类计数器：方法调用计数器和回边计数器，这两个计数器都有个确定的阙值，超过就会出发JIT编译。
• 执行：操作系统把解释器解析出来的指令码，调用系统的硬件执行最终的程序指令

2.双亲委派机制

为了防止内存中存在多分同样的字节码，使用了双亲委派机制。JDK中核心的类库一般由根加载器(Bootstrp loader)装载，jre目录下的一些扩展jar通常用扩展加载器(ExtClassLoader)装载,应用程序中的主函数类一般由系统加载器(AppClassLoader)装载。

2.1.如何打破双亲委派机制？

自定义ClassLoader，重写loaderClass方法(不依照往上寻找类加载器)，那么就算打破双亲委派机制。

Tomcat就是一个常用的场景。初学时部署项目时，我们是把war包放到tomcat的webapp下即可，这意味着一个tomcat可以运行多个web应用程序。假设有两个web应用程序，它们都有一个类，并且类全限定名都一样，但是具体实现时不一样的。tomcat为了保证它们时不冲突的，给每个web应用创建一个类加载实例(WebAppClassLoader)，该加载器重写了loadClass方法，优先加载应用目录下的类，如果当前找不到才一层层网上找。

3.JVM内存结构

JVM内存结构往往指的时JVM定义的运行时数据区域，简单来说分为5大块：线程共享：方法区、堆；线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。

• 程序计数器：Java是多线程语言，假设线程数大于CPU数时，就可能会发生线程切换现象，切换就意味着终端和恢复，那么就需要一块区域存放当前线程的执行情况。所以程序计数器就是用于记录各个线程执行的字节码地址(分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器)
• 虚拟机栈：每个线程在创建的时候都会创建一个虚拟机栈，每个方法调用都会创建一个栈帧，每个栈帧会包含几块内容：局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址。它保存了局部变量 、部分变量的计算并参与了方法的调用和返回。
• 本地方法栈：本地方法栈和虚拟机栈功能类似，不过本地方法栈用于管理本地方法的调用。一般本地方法指的是非Java方法
• 方法区：jdk8已经用元空间来替代方法区，方法区主要用来存放已被虚拟机装载的类相关信息：类信息、常量池。类信息包括了类的版本、字段、方法、接口和父类等信息；常量池又分为静态常量池和运行时常量池，静态常量池主要存储字面量以及符号引用等信息，也包含字符串常量池；运行时常量池存储的时类加载时生成的直接引用等信息。元空间相较之前最大的区别就是存储不在虚拟机中，而是使用本地内存。常量池在jdk7之后又被转移到了堆内存进行存储。
• 堆：堆被划分为新生代和老年代，新生代又被进一步划分为Eden区和Survivor区，最后Survivor区由From Survivor区和To Survivor区组成。将堆内存划分为这几块区域主要跟内存回收有关，也就是垃圾回收机制有关。

4.垃圾回收机制

只要对象不再被使用，那我们就可以该对象就是垃圾，对象所占用的空间就可以被回收。

4.1.如何判断对象不在使用？

常用算法有两种：引用计数法和可达性分析法

• 引用分析法：当引用对象被引用则+1，但对象引用失败则-1，当计数器为0时，说明对象不在被应用，可以被回收。缺点就是如果对象存在循环依赖，那就无法定位该对象是否该被回收。
• 可达性分析法：它从GC Roots开始向下搜索，当对象到GC Roots都没有任何引用相连时，说明对象时不可用的，可以被回收。其中GC Roots必须是一组比较活跃的引用，从GC Roots出发，程序直接或间接引用能够找到可能正在被使用的对象。

举例说明：

虚拟机栈内的栈帧的局部变量表中存储着引用，如果栈帧位于虚拟机栈的栈顶，就一颗说明这个栈帧是活跃的，换句话说，就是线程正在被调用的，那么栈帧中指向堆的对象引用是不是就是活跃的。那么从当前活跃的栈帧指向堆里的对象引用就可以是GC Roots。当然也不单单这么一小块，比如类的静态变量的引用也可以是GC Roots等等。

4.2.垃圾回收

垃圾回收第一步就是标记，标记那些没有被GC Roots引用的对象，标记完我们就可以选择直接清除不被GC Roots关联的，但是标记完直接清除存在很明显的问题，直接清除会有内存碎片的问题，因为清除的垃圾有可能空间是不连续的，那么我们可以把存活的对象移到一边，垃圾放到一边再进行清除，这样就没有内存碎片了，我们称之为整理。这里我们简单讲述下分代垃圾回收的过程。

分代回收器有两个分区：老年代和新生代。新生代默认的空间占比是总空间的1/3，老年代默认占比是2/3.

新生代使用的是复制算法。新生代里有3个区Eden、To Survivor和From Survivor，它们的默认占比是8：1：1，执行流程如下：

当年轻代的Eden区分配满的时候，就会触发年轻代的GC--Minor GC

• 在Eden区执行了第一次GC后，存活的对象会被移动到To Survivor区，年龄+1
• 交换From Survivor区和To Survivor区的指针。
• 继续产生对象，存入Eden区，内存不够进行第二次Minor GC，清除Eden区和From Survivor区的垃圾，并将From Survivor区和Eden区存活的移动到To Survivor区，年龄+1
• 重复步骤2，3，直到年龄达到一定的阙值，就把这个对象晋升到老年代，当经过一段时间，老年代内存不足，会进行一次Full GC，回收所有对象。