揭秘JAVA JVM內幕(不合適初學者)-有解無憂

在之前的文章一步步決議java執行內幕中，比較詳細分析了java代碼是如何一步一步在jvm中執行的，然而涉及到的jvm核心技術點，并未做深入分析，因為覺得那時候分享，還不是時候，慶幸的是，最近剛優化線上商城并發系統，相關優化記錄在上篇博文記一次線上商城系統高并發的優化，分享這篇文章后，覺得是時候與大家分享交流jvm底層一些核心技術的時機了，

本篇文章將重點分析jvm，涉及到的內容包括jvm記憶體模型，類加載器，GC回收演算法，GC回收器，整體偏向于理論，

本篇文章不適合初學者，適合具有3年以上開發經驗的技術人員，歡迎大家一起交流分享，文章若有不足之處，歡迎讀者朋友們指出，先感謝，

一明確jdk，jre和jvm之間關系

下圖為官網關于jdk，jre和jvm的架構圖，從該架構圖，很容易看出三者之間關系：

(1)jdk包含jre,而jre又包含jvm

(2)jdk主要用于開發環境，jre主要用于發布環境，當然，發布環境用jdk也沒問題，僅僅是性能可能會有點影響，jdk與jre關系有點類似程式debug版本和release版本之間關系

(3)從檔案大小來說，jdk比jre大，從圖中可以看出，jdk比jre多了一層工具包，如常用的javac，java命令等

二類加載器

關于jvm類加載器，可概括為如下圖：

1.為什么要有類加載器？

(1)將位元組碼檔案加載到運行時資料區，.java原始碼通過Javac命令編譯后形成的位元組碼檔案(.class)，通過類加載器加載進入jvm中的，

(2)確定位元組碼檔案在運行時資料區的唯一性，相同的位元組碼檔案，通過不同的類加載器，就形成不同的檔案，因此位元組碼檔案在運行時資料區的唯一性是由位元組碼檔案和加載它的類加載器共同決定的

2.類加載器的種類

從種類上來劃分，類加載器主要劃分為四大類

(1)啟動類加載器 (根類加載器Bootstrap ClassLoader)：該類加載器位于類加載器的最頂層，主要加載jre核心相關jar包，如 /jre/lib/rt.jar

(2)擴展類加載器(Extension ClassLoader):該類加載器位于類加載器層次的第二層，主要加載 jre擴展相關jar包，如/jre/lib/ext/*.jar

(3)應用程式類加載器(Application ClassLoader) App:該類加載器位于類加載器的第三層，主要加載類路徑(classpaht)下的相關jar包

(4)用戶自定義類加載器(User ClassLoader):該類加載器為用戶自定義類加載器，主要加載用戶指定的路徑下的相關jar包

3.類加載器的機制(雙親委派)

對于位元組碼的加載，類加載機制為雙親委派，什么叫雙親委派呢？

類加載器獲取位元組碼檔案后，不是直接加載，而是將該位元組碼檔案傳遞給其直接父級類加載器，其直接父加載器又繼續傳遞給其直接父加載器的直接父加載器，依次類推到根父加載器，若根父加載器

能加載，則加載，否則交給其直接孩子加載器加載，直接孩子加載器能加載就加載，若不能，依次類推其直接孩子類加載器，若都不能加載，最后才由用戶自定義類加載器加載，

4.jdk 1.8 如何實作類加載器？

如下為jdk 1.8 類加載器的實作，采用遞回方式

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

5.破壞雙親委派模型

在某些情況下，由于受加載范圍限制，父類加載器無法加載到需要的檔案，因此父類加載器需要委托其子類加載器去加載相應的位元組碼檔案，

如在jdk中定義的資料庫驅動介面Driver，但該介面的實作卻由不同的資料庫廠商來實作，這就產生這樣一個問題：由啟動類(Bootstrap ClassLoader)

執行的DriverManager要加載實作了Driver介面的相關實作類，從而實作統一管理，但Bootstrap ClassLoader只能加載jre/lib下的相應檔案，不能加載

由各個廠商實作的Dirver介面相關實作類(Dirver實作類是由Application ClassLoader加載)，這時就需要Bootstrap ClassLoader委托其子類加載器加載Driver

來實作，從而破壞了雙親委派模型，

三類的生命周期

java中的類，在jvm中的生命周期，大概分為五個階段：

1.加載階段：獲取位元組碼二進制流，并將靜態存盤結構轉化成方法區的運行時資料結構，且在方法區生成相應的類物件(java.lang.Class物件)，作為該類的資料訪問入口，

2.連接階段：該階段包括三個小階段，即驗證，準備和決議三階段

(1)驗證：確保位元組碼檔案符合虛擬機規范要求，如元資料驗證，檔案格式驗證，位元組碼驗證和符號驗證等

(2)準備：為內的靜態表里分配記憶體，并且設定jvm默認值，對于非靜態變數，此階段，不需分配記憶體，

(3)決議：將常量池內的符號參考轉化為直接參考

3.初始化階段：類物件使用前的一些必要初始化作業

如下參考自一位博友的觀點，個人認為解釋得很好，

在 Java 代碼中，如果要初始化一個靜態欄位，我們可以在宣告時直接賦值，也可以在靜態代碼塊中對其賦值，

除了 final static 修飾的常量，直接賦值操作以及所有靜態代碼塊中的代碼，則會被 Java 編譯器置于同一方法中，并把它命名為 < clinit > ，初始化的目的是是為標記為

常量值的欄位賦值，以及執行< clinit > 方法的程序，Java 虛擬機會通過加鎖來確保類的 < clinit > 方法僅被執行一次，

哪些條件會發生類初始化呢？

(1)當虛擬機啟動時，初始化用戶指定的主類（main函式）；

(2)當遇到用于新建目標類實體的 new 指令時，初始化 new 指令的目標類；

(3)當遇到呼叫靜態方法的指令時，初始化該靜態方法所在的類；

(4)子類的初始化會觸發父類的初始化；

(5)如果一個介面定義了 default 方法，那么直接實作或者間接實作該介面的類的初始化，會觸發該介面的初始化；

(6)使用反射 API 對某個類進行反射呼叫時，初始化這個類；

(7)當初次呼叫 MethodHandle 實體時，初始化該 MethodHandle 指向的方法所在的類，

4.使用階段：jvm中使用物件

5.卸載階段：將物件從jvm中卸載(unload)，哪些條件會使jvm發生類卸載呢？

(1)加載該類的類加載器被回收

(2)該類的所有實體已經被回收

(3)該類對應的java.lang.Class物件沒有任何地方被參考

四 jvm記憶體模型

1.JVM記憶體模型是怎樣的？

如下為JVM記憶體模型架構圖，由于在之前的文章中論述過，這里就不再一一論述，主要講解堆區，

在jdk 1.8前，堆區主要分為新生代、老年代和永久代，jdk 1.8后，去掉了永久代，增加了MetaSpace區，這里，主要分享jdk 1.8，

根據jdk1.8，堆區邏輯抽象為三個部分：

(1)新生代:包括Eden區，S0區(也叫from區)，S21(也叫TO區)

(2)老年代

(3)Metaspace區

2.新生代和老年代的記憶體大小是怎樣的？

根據官方建議，新生代占三分之一(Eden:S0:S1=8:1:1)，老年代占三分之二，因此記憶體分配圖如下：

3.GC回收是怎樣進行的？

物件先在Eden區運行，當Eden記憶體用占用滿時，Eden會進行兩個操作：回收不用的物件和將未回收物件放入s0區，此時s0區和s1區互喚名稱，即s0->s1,s1->s0，Eden區經過一次物件回收后，釋放了空間，當Eden下次再滿時，執行相同步驟，依次回圈執行，當Eden區回收后，剩下的物件超過s0容量，則將出發一次Minor GC,此時將未回收的物件放入老年區，依次回圈執行，當Eden區觸發Minor GC時，剩余的物件容量大于old區剩余容量時，則old區將觸發一次Major GC，此時便會觸發一次Full GC，需要注意的是，一般發生Major GC，基本都都會伴隨一次Full GC回收，Full GC非常損耗性能，在JVM調優時，要注意，

下圖我在生產環境截的一張GC圖，監控工具VisualVM