Java虛擬機——JVM總結

JVM 是 java虛擬機，是用來執行java位元組碼(二進制的形式)的虛擬計算機，jvm是運行在作業系統之上的，與硬體沒有任何關系，

JVM跨平臺及原理

1. 跨平臺：由Java撰寫的程式可以在不同的作業系統上運行：一次撰寫，多處運行，
2. 原理：編譯之后的位元組碼檔案和平臺無關，需要在不同的作業系統上安裝一個對應版本的虛擬機(JVM)，

JVM的分類

1. 類加載子系統，
2. 運行時資料區 [ 我們核心關注這里 的堆疊、堆、方法區 ]，
3. 執行引擎(一般都是JIT編譯器和解釋器共存)：
   （1）JIT編譯器(主要影響性能)：編譯執行； 一般熱點資料會進行二次編譯，將位元組碼指令變成機器指令，將機器指令放在方法區快取，
   （2）解釋器(負責回應時間，他的回應時間很快)：逐行解釋位元組碼，

JVM體系結構

注：方法區和堆是所有執行緒共享的記憶體區域；而java堆疊、本地方法堆疊和程式計數器是運行是執行緒私有的記憶體區域，

1. Java堆（Heap）, 是Java虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊，Java堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機啟動時創建，此記憶體區域的唯一目的就是存放物件實體，幾乎所有的物件實體都在這里分配記憶體，
2. 方法區（Method Area）, 與Java堆一樣，是各個執行緒共享的記憶體區域，它用于存盤已被虛擬機加載的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯后的代碼等資料，
3. 程式計數器（Program Counter Register）, 是一塊較小的記憶體空間，它的作用可以看做是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器，
4. JVM堆疊（JVM Stacks）, 與程式計數器一樣，Java虛擬機堆疊（Java Virtual Machine Stacks）也是執行緒私有的，它的生命周期與執行緒相同，虛擬機堆疊描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個堆疊幀（Stack Frame）用于存盤區域變數表、操作堆疊、動態鏈接、方法出口等資訊，每一個方法被呼叫直至執行完成的程序，就對應著一個堆疊幀在虛擬機堆疊中從入堆疊到出堆疊的程序，
5. 本地方法堆疊（Native Method Stacks）, 與虛擬機堆疊所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機堆疊為虛擬機執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法堆疊則是為虛擬機使用到的Native方法服務，

物件分配規則：

首先看一下JVM記憶體結構布局：

JVM記憶體結構主要有三大塊：堆記憶體、方法區和堆疊，堆記憶體是JVM中最大的一塊由年輕代和老年代組成，而年輕代記憶體又被分成三部分，Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間, 默認情況下年輕代按照8:1:1的比例來分配；

方法區存盤類資訊、常量、靜態變數等資料，是執行緒共享的區域，為與Java堆區分，方法區還有一個別名Non-Heap(非堆)；堆疊又分為java虛擬機堆疊和本地方法堆疊主要用于方法的執行，

物件分配規則：

1. 物件優先分配在Eden區，如果Eden區沒有足夠的空間時，虛擬機執行一次Minor GC，
2. 大物件直接進入老年代（大物件是指需要大量連續記憶體空間的物件），這樣做的目的是避免在Eden區和兩個Survivor區之間發生大量的記憶體拷貝（新生代采用復制演算法收集記憶體），
3. 長期存活的物件進入老年代，虛擬機為每個物件定義了一個年齡計數器，如果物件經過了1次Minor GC那么物件會進入Survivor區，之后每經過一次Minor GC那么物件的年齡加1，知道達到閥值物件進入老年區，
4. 動態判斷物件的年齡，如果Survivor區中相同年齡的所有物件大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的物件可以直接進入老年代，
5. 空間分配擔保，每次進行Minor GC時，JVM會計算Survivor區移至老年區的物件的平均大小，如果這個值大于老年區的剩余值大小則進行一次Full GC，如果小于檢查HandlePromotionFailure設定，如果true則只進行Monitor GC,如果false則進行Full GC，

GC演算法 垃圾回收

物件存活判斷

判斷物件是否存活一般有兩種方式：

1. 參考計數：每個物件有一個參考計數屬性，新增一個參考時計數加1，參考釋放時計數減1，計數為0時可以回收，此方法簡單，無法解決物件相互回圈參考的問題，
2. 可達性分析（Reachability Analysis）：從GC Roots開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為參考鏈，當一個物件到GC Roots沒有任何參考鏈相連時，則證明此物件是不可用的，不可達物件，

GC演算法

GC最基礎的演算法有三種：標記 -清除演算法、復制演算法、標記-壓縮演算法，我們常用的垃圾回收器一般都采用分代收集演算法，

1. 標記 -清除演算法，“標記-清除”（Mark-Sweep）演算法，如它的名字一樣，演算法分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所有需要回收的物件，在標記完成后統一回收掉所有被標記的物件，
2. 復制演算法，“復制”（Copying）的收集演算法，它將可用記憶體按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當這一塊的記憶體用完了，就將還存活著的物件復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的記憶體空間一次清理掉，
3. 標記-壓縮演算法，標記程序仍然與“標記-清除”演算法一樣，但后續步驟不是直接對可回收物件進行清理，而是讓所有存活的物件都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的記憶體，
4. 分代收集演算法，“分代收集”（Generational Collection）演算法，把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據各個年代的特點采用最適當的收集演算法，

垃圾回收器

1. Serial收集器，串行收集器是最古老，最穩定以及效率高的收集器，可能會產生較長的停頓，只使用一個執行緒去回收，
2. ParNew收集器，ParNew收集器其實就是Serial收集器的多執行緒版本，
3. Parallel收集器，Parallel Scavenge收集器類似ParNew收集器，Parallel收集器更關注系統的吞吐量，
4. Parallel Old 收集器，Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多執行緒和“標記－整理”演算法，
5. CMS收集器，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器，
6. G1收集器，G1 (Garbage-First)是一款面向服務器的垃圾收集器,主要針對配備多顆處理器及大容量記憶體的機器. 以極高概率滿足GC停頓時間要求的同時,還具備高吞吐量性能特征，

更詳細的GC演算法 垃圾回收可以參考jvm系列(三):GC演算法 垃圾收集器，

虛擬機類加載機制

虛擬機把描述類的資料從 Class 檔案加載到記憶體，并對資料進行校驗、裝換決議和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的 Java 型別，

在 Java 語言中，型別的加載、連接和初始化程序都是在程式運行期間完成的，

類的生命周期

類的生命周期包括這幾個部分，加載、連接、初始化、使用和卸載，其中前三部是類的加載的程序,如下圖；

以下五種情況必須對類進行初始化(而加載、驗證、準備自然需要在此之前完成)：

1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 這 4 條位元組碼指令時沒初始化觸發初始化，使用場景：使用 new 關鍵字實體化物件、讀取一個類的靜態欄位(被 final 修飾、已在編譯期把結果放入常量池的靜態欄位除外)、呼叫一個類的靜態方法，
2. 使用 java.lang.reflect 包的方法對類進行反射呼叫的時候，
3. 當初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有進行初始化，則需先觸發其父類的初始化，
4. 當虛擬機啟動時，用戶需指定一個要加載的主類(包含 main() 方法的那個類)，虛擬機會先初始化這個主類，
5. 當使用 JDK 1.7 的動態語言支持時，如果一個 java.lang.invoke.MethodHandle 實體最后的決議結果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則需先觸發其初始化，

類的加載程序

1. 加載，查找并加載類的二進制資料，在Java堆中也創建一個java.lang.Class類的物件，
2. 連接，連接又包含三塊內容：驗證、準備、初始化，1）驗證，檔案格式、元資料、位元組碼、符號參考驗證；2）準備，為類的靜態變數分配記憶體，并將其初始化為默認值；3）決議，把類中的符號參考轉換為直接參考，
3. 初始化，為類的靜態變數賦予正確的初始值，
4. 使用，new出物件程式中使用，
5. 卸載，執行垃圾回收，

總結：
Java 虛擬機將位元組流轉化為 Java 類的程序，這個程序可分為加載、鏈接以及初始化三大步驟，

1. 加載是指查找位元組流，并且據此創建類的程序，加載需要借助類加載器，在 Java 虛擬機中，類加載器使用了雙親委派模型，即接收到加載請求時，會先將請求轉發給父類加載器，
2. 鏈接，是指將創建成的類合并至 Java 虛擬機中，使之能夠執行的程序，鏈接還分驗證、準備和決議三個階段，其中，決議階段為非必須的，
3. 初始化，則是為標記為常量值的欄位賦值，以及執行 < clinit > 方法的程序，類的初始化僅會被執行一次，這個特性被用來實作單例的延遲初始化，

類加載器

通過一個類的全限定名來獲取描述此類的二進制位元組流，

雙親委派模型

從 Java 虛擬機角度講，只存在兩種類加載器：一種是啟動類加載器（C++ 實作，是虛擬機的一部分）；另一種是其他所有類的加載器（Java 實作，獨立于虛擬機外部且全繼承自 java.lang.ClassLoader）

1. 啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader，負責加載存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安裝目錄，下同)下，或被-Xbootclasspath引數指定的路徑中的，并且能被虛擬機識別的類別庫，
2. 擴展類加載器：Extension ClassLoader，該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實作，它負責加載DK\jre\lib\ext目錄中，或者由java.ext.dirs系統變數指定的路徑中的所有類別庫（如javax.*開頭的類），開發者可以直接使用擴展類加載器，
3. 應用程式類加載器：Application ClassLoader，該類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader來實作，它負責加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發者可以直接使用該類加載器，

除頂層啟動類加載器之外，其他都有自己的父類加載器，

作業程序：如果一個類加載器收到一個類加載的請求，它首先不會自己加載，而是把這個請求委派給父類加載器，只有父類無法完成時子類才會嘗試加載，

類加載機制

1. 全盤負責，當一個類加載器負責加載某個Class時，該Class所依賴的和參考的其他Class也將由該類加載器負責載入，除非顯示使用另外一個類加載器來載入，
2. 父類委托，先讓父類加載器試圖加載該類，只有在父類加載器無法加載該類時才嘗試從自己的類路徑中加載該類，
3. 快取機制，快取機制將會保證所有加載過的Class都會被快取，當程式中需要使用某個Class時，類加載器先從快取區尋找該Class，只有快取區不存在，系統才會讀取該類對應的二進制資料，并將其轉換成Class物件，存入快取區，這就是為什么修改了Class后，必須重啟JVM，程式的修改才會生效，

參考：
關于Jvm知識看這一篇就夠了，
Jvm系列-Jvm概述（一），
Java虛擬機（JVM）你只要看這一篇就夠了，