【JVM】内存区域划分 | 类加载的过程 | 双亲委派机制 | 垃圾回收机制

本文主要是介绍【JVM】内存区域划分 | 类加载的过程 | 双亲委派机制 | 垃圾回收机制，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

JVM

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一、内存区域划分

​ 一个运行起来的Java进程，就是一个JVM虚拟机。会从操作系统申请一大块内存。这块内存会被划分成不同的区域，每个区域都有不同的作用。

类似于租了一个写字楼，进行装修，划分不同的功能

1.方法区（1.7之前）/ 元数据区（1.8开始）

• 存储的内容是类对象

类对象：.class文件，加载到内存之后，就成了类对象

2.堆

• 存储的是代码中new的对象

• 堆是这块空间中，占据空间最大的区域

3.栈

虚拟机栈

• 存储的是代码执行过程中，方法之间的调用关系

• 栈中的每个元素称为“栈帧”。栈帧就代表了一个方法调用。栈帧里包含了方法的入口、方法返回的位置、方法的形参、方法的返回值、局部变量…

4.程序计数器

• 相对比较小的空间
• 存放一个“地址”。表示每个线程，下一条要执行指令的地址。这个执行的指令在方法区里（每个方法，里面的指令，都是以二进制的形式，保存到对应的类对象中）

class Test{public void a(){//}public void b(){//}
}

​ 这个类中有两个方法。方法a和方法b都会被编译成二进制的指令，放到.class文件中。在执行类加载的时候，就会把.class文件里的内容，加载起来，放到类对象里。此时方法的二进制指令也就进入类对象了。

​ 刚开始调用方法时，程序计数器记录的是方法的入口地址。随着一条一条的执行指令，每执行一条，程序计数器的值都会自动更新，去指向下一条指令。如果是顺序执行的代码，下一条指令就是把指令地址进行递增。如果是条件/循环代码，下一条指令就可能会跳转到比较远的地址。

• 每个线程都有一份虚拟机栈和程序计数器
• 每个进程只有一份堆和元数据区

常见面试题：

给一段代码，说明某个变量，是处于JVM内存当中的哪个区域

class Test{public int n;public static int a = 10;
}
void main(){Test t = new Test();
}

请问：n、a、t 分别处于哪个区域？

答：1.n是一个成员变量，在new Test对象的时候，这个对象中就会包含n这个属性。new出来的对象在堆上，因此成员变量n就处于堆上。2. t是方法内部的一个局部变量，处于栈上。每个栈帧包含有一个局部变量表，通过局部变量表来保存局部变量。3.a是一个静态变量，也称作类属性。包含在类对象中，处于方法区/元数据区当中。

变量处于哪个空间上，与变量是引用类型还是基本类型无关。t这个变量是一个引用类型的变量，存的是一个对象的地址，而不是对象本身。

二、类加载的过程

1.类加载的基本流程

​ Java代码会被编译成.class文件（包含了一些字节码）。Java程序要想运行起来，就需要让JVM读取到这些这些.class文件，并且把里面的内容构造成类对象，保存到内存的方法区中。

​ “执行代码”就是调用方法，需要先知道每个方法，编译后生成的指令都是啥。所以先将.class文件中的指令，先读到内存中，构造成类对象。程序计数器指向类对象中对应方法的具体指令。JVM就会根据指令的位置继续执行。

1.加载

• 找到.class文件，打开文件并读取文件内容。

​ 代码中，会给定某个类的“全限定类名”（带有包名的，例如java.long.String/java.util.ArrayList）JVM就会根据这个类名，在一些指定的目录范围内，进行查找。

2.验证

​ .class文件是一个二进制的格式，某个字节都有某个特殊含义。需要验证当前读到的这个文件格式是否符合要求。（.class文件的内容格式要符合java设定的规范）

java有具体的语言规范和虚拟机规范，虚拟机规范中，规定了.class文件要遵循的格式结构

• 一般二进制文件，开头的几个字节都是固定的数字，用来表示文件的格式。这个数字称为magic number “魔幻数字”
• 验证就是要确保读到的.class文件，当中的格式，是严格按照上述内容展开的。如果验证失败就会返回报错

3.准备

• 因为类加载的目的就是构造出一个类对象，所以准备这一步，就是要给类对象分配内存空间。

​ 这里只是分配内存空间，还没有进行初始化。此时内存中存储的对应数据都是0（此时打印这个类中的static成员，就都是0）

4.解析

• 处理类对象中包含的字符串常量。进行一些初始化操作，用真正的内存地址来替换偏移量

java代码中用到的字符串常量，在编译后，也会进入到.class文件中。

final String s = "test";
//'test'作为字符串常量，会进入到.class文件当中
//通时，.class文件的二进制指令中，也会创建出一个s这样的引用

​ 由于引用的本质是保存一个变量的地址。.class文件，不涉及内存地址。所以在.class文件中，s的初始化语句会先被设置成一个“文件的偏移量”。通过这个偏移量，就可以找到"test"字符串所在的位置。当这个类真正被加载带内存中时，再把偏移量替换回真正的内存地址

• 把“符号引用”（文件偏移量）替换成"直接引用"（内存地址）

5.初始化

• 针对类对象进行初始化

把类对象中需要的各个属性都设置好，还需要初始化static成员，执行静态代码块，加载父类

2.双亲委派模型

• 双亲委派模型是类加载中，“加载”过程中的一个环节。负责根据“全限定类名”来找到.class文件。

类加载器

类加载器是JVM的一个模块。JVM中内置了三个类加载器：

1.BootStrap ClassLoader (爷)

2.Extension ClassLoader (父)

3.Application ClassLoader (子)

这些类加载器中有一个parent属性，指向父"类加载器"

“双亲”指的就是parent这个属性

找.class文件的过程：

1.给定一个类的全限定类名,(java.long.String,)

2.从Application ClassLoader 作为入口，开始执行查找的逻辑。

3.Application ClassLoader ，不会立即扫描自己负责的目录（负责的是搜索项目当前目录和对应的第三方库目录），而是把扫描的任务交给它的父亲（Extension ClassLoader）

4.Extension ClassLoader,也不会立即扫描自己负责的目录（负责的是JDK中一些扩展的库，对应的目录），把查找的任务交给它的父亲（BootStrap ClassLoader）

5.BootStrap ClassLoader,也不会立刻扫描自己负责的目录（负责的是 标准库的目录），也想交给父亲来扫描，但是由于没有父亲，就只能自己亲自扫描 标准库的目录。java.long.String这个类就能在标准库中，找到对应的.class文件，进而打开读取文件

6.如果没有扫描到，就会返回到Extension ClassLoader。负责扫描扩展库的目录 。找的了后续的类加载

7.如果没有扫描到，就会返回到Application ClassLoader。负责扫描当前项目和第三方库的目录，找的了进行后续类加载

8.最终如果没有找到，也没有孩子了，就会抛出一个ClassNotFoundException 异常。

• 这样做的目的，是为了确保标准库的类优先级最高，其次的扩展库，其次是自己写的类和第三方库

打破双亲委派模型

• 自己写的类加载器，就可以不遵守这些规则。tomcat里，加载webapp的时候就是用的自定义加载器，就只能在webapp指定目录中查找，找不到就直接抛出，不会去标准库中去找。

三、垃圾回收机制

• GC 垃圾回收

​ 在C语言中，用malloc进行“动态申请内存”，用完后通过free释放。C++里则用new动态申请内存，用完后通过delete来释放。malloc只是申请内存，new不仅能申请内存，也能进行初始化（调用构造函数）。Java也采用了new这样的写法，在Java中new一个对象，就是“动态申请内存”。

• Java通过垃圾回收机制（GC），来让JVM自行判断，某个内存是否不再使用。如果后面不用了，就会自动把这个内存回收掉，从而不需要手动写代码回收

GC的缺陷

1.系统开销，需要一些特定的线程，不断扫描内存中的所有对象，看是否能够回收。需要额外的cpu资源

2.效率问题，扫描线程有一定周期，不一定能及时释放内存。一旦有大量对象需要被回收，GC的负担会变得很大，从而引发程序的卡顿（STW问题 stop the world）

GC回收的目标

​ 目标是内存中的对象。对应Java来说，就是new出来的这些对象。栈里的局部变量，是跟随着栈帧的生命周期走的（方法执行结束，栈帧销毁，内存自然释放）。静态变量，生命周期是整个程序。不需要进行释放。真正需要GC释放的，是堆上new出来的对象。

回收的步骤

1.找到垃圾

这里的“垃圾”指的是不再使用的对象。有两种主要方案

1.引用计数 [Python 、PHP]

​ new出来的对象，单独安排一块空间，来保存一个计数器。用来描述这个对象被几个引用所指向。如果一个对象没有被引用指向（引用计数是0.）就可以被视为“垃圾”

引用计数的缺点：

1.比较浪费内存。

​ 每个对象丢需要有一个计数器。计数器会占据不小的空间，如果对象本身很小并且数量很多。计数器占用的空间比例的无法忽视。

2.存在“循环引用”的问题

//形如以下代码、
class Test{public Test t;
}
Test a = new Test();
Test b = new Test();
a.t = b;
b.t = a;
a = null;
b = null;

​ 当a和b两个引用已经被销毁了。new出来的这两个对象无法被其他代码访问到了，但是他们的引用计数却不是0，所有不能进行回收。第一个对象引用了第二个对象，第二个对象引用了第一个对象。要想使用第一个对象就需要拿到第二个对象，要想拿到第二个对象，又得先拿到第一个对象。构成了“循环引用”

2.可达性分析 [Java]

• 本质上是 时间换取空间的手段

• 有一个/一组 线程。周期性的扫描代码中所有的对象。从一些特定的对象出发，尽可能的进行访问的遍历。把所有能够访问到的对象都标记成“可达”。反之，扫描后没有被标记的对象，就是“垃圾”。

void func(){TreeNode root = bulidTree();
}

• 就相当于从根节点root这个引用出发，不断遍历，到达整棵树的左右节点。能遍历到的TreeNode对象，都是可达的。

GCRoots

​ 可达性分析的出发点有很多，不仅是所有的局部变量，还有常量池中引用的对象、还有方法区中的静态引用类型引用的变量…这些出发点就叫做GCRoots。

​ 这里的遍历大概率是N叉树，取决于访问是对象里有多少个引用类型的成员，针对每个引用类型的成员都需要进一步进行遍历。对象是否为垃圾，可能会随着代码的执行而发生改变，所以扫描过程是周期性进行的。这样下来，可达性分析就比较消耗系统资源，开销就比较大。

2.释放垃圾

有三种主要方案

1.标记清除

​ 比较简单粗暴的释放方式。

​ 经过可达性分析后，找到了“垃圾”对象，直接释放垃圾对象对应的内存。但是这样做会产生很多内存碎片。释放内存的目的是为了让别的代码能够申请。申请内存都是申请“连续”的内存空间。

2.复制算法

​ 通过复制的方式，把有效的对象，归类到一起，再统一释放剩下的空间

把内存分成两份，一次只用其中的一半。从而有效解决内存碎片问题。

缺点：

​ 1.内存浪费了一半，利用率不高

​ 2.如果有效对象比较多，拷贝的开销就很大

3.标记整理

• 既能解决内存碎片问题，又能处理复制算法中利用率的问题

• 类似于顺序表删除元素的操作，搬运的开销仍然很大

实际上，JVM采取的释放思路，是上述三种思路的结合体。

分代回收

• 伊甸区：存放刚new出来的对象。从对象诞生到第一轮可达性分析扫描，这个过程中（毫秒~秒级）大部分对象都会成为垃圾。（创建的对象，指向对象的引用很快就会随着方法执行完毕而消亡。就会变成垃圾）
• 幸存区：第一轮结束后，仍然不是垃圾的对象，就会被“复制算法”，拷贝到幸存区

1.伊甸区=>幸存区 复制算法的体现，每一轮GC扫描之后,都把有效对象复制到幸存区中（真正需要拷贝的并不多），伊甸区就可以整个释放了

2.GC扫描线程也会扫描幸存区，把扫描后“可达”的对象，拷贝到幸存区的另一部分。（幸存区分成两部分，也是复制算法 的体现）

3.当对象已经在幸存区存活过很多轮GC扫描之后，JVM就认为这个对象在短时间内应该不会释放，就会把这个对象拷贝到老年代。

4.进入老年代的对象，虽然也会被GC扫描，但是被扫描的频率要比新生代要低很多。 老年代相对生命周期更长，所以降低扫描频率，减少GC扫描的开销。在老年代中，使用标记整理的方式进行回收

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