JVM 架構(gòu)圖

文章目錄

• 一 JVM 簡介
• 二 類加載子系統(tǒng)：
• • 1 作用
  • 2 類的三個加載過程
  • 3 類加載器的分類
  • 4 雙親委派機制
  • 5 兩個 class 對象為同一個類的必要條件
• 三 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：PC寄存器（Program Counter Register）
• 四 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：虛擬機棧
• • 1 概述
  • 2 棧可能出現(xiàn)的異常
  • 3 棧的存儲結(jié)構(gòu)和運行原理
  • 4 棧幀的組成
• 五 方法的調(diào)用
• • 1 靜態(tài)鏈接與動態(tài)鏈接
  • 2 早期綁定與晚期綁定
  • 3 （非）虛方法
  • 4 JVM 方法調(diào)用的指令
  • 5 虛方法表
• 六 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：本地方法棧
• 七 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：堆
• • 1 概述
  • 2 堆的內(nèi)存結(jié)構(gòu)
  • 3 YGC / Minor GC
  • 4 Major GC & Full GC
  • 5 內(nèi)存分配策略
  • 6 線程分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）
  • 7 逃逸分析與優(yōu)化
  • 8 對象的內(nèi)存分配流程
• 八 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：方法區(qū)（永久代 / 元空間）
• • 1 概述
  • 2 方法區(qū)與堆棧的交互
  • 3 方法區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
  • 4 方法區(qū)的發(fā)展：為什么需要元空間
  • 5 方法區(qū)的垃圾回收
• 九 對象的實例化、內(nèi)存布局、訪問定位
• • 1 對象創(chuàng)建的方法和步驟
  • 2 !!對象的內(nèi)存布局
• 十 String Table
• • 1 String 的基本特性
  • 2 String 拼接
  • 3 intern()
  • 4 創(chuàng)建了幾個對象？
  • 5 兩道難題*
• 十一 垃圾回收相關(guān)概念
• • 1 什么是垃圾
  • 2 內(nèi)存溢出
  • 3 內(nèi)存泄漏
  • 4 強引用：存在就不回收
  • 5 軟引用：內(nèi)存不足時回收
  • 6 弱引用：發(fā)現(xiàn)即回收
  • 7 虛引用：形同虛設(shè)，回收跟蹤
• 十二 垃圾回收算法
• • 1 標(biāo)記階段：可達性分析算法
  • 2 finalize
  • 3 判斷對象是否可回收的流程（至少兩次標(biāo)記）
  • 4 清除階段：標(biāo)記-清除算法
  • 5 清除階段：標(biāo)記-復(fù)制算法
  • 6 清除算法：標(biāo)記-壓縮算法
  • 7 三種清除算法的對比
  • 8 分代收集算法
• 十三 垃圾回收器
• • 1 主要性能指標(biāo)

---

一 JVM 簡介

• JVM 本質(zhì)上是二進制字節(jié)碼的運行環(huán)境，是運行在操作系統(tǒng)上的，與硬件沒有直接的交互
• Java 是跨平臺的語言：一次編寫，到處運行
  
• JVM 是跨語言的平臺：JVM 是面向字節(jié)碼文件的，只要符合 JVM 規(guī)范，JVM 不僅可以處理 Java 語言編譯的字節(jié)碼文件，還支持其它語言編譯的字節(jié)碼文件
  

---

二 類加載子系統(tǒng)：

1 作用

• 負責(zé)加載文件開頭有特定的標(biāo)識的 class 文件
• 只負責(zé)文件的加載，而不保證 class 文件可以運行（能否運行由執(zhí)行引擎決定）
• 加載的類信息存放在方法區(qū)，除此之外，方法區(qū)還會存放運行時的常量池信息
• 在 class file -> JVM -> 元數(shù)據(jù)模板 的過程中作為“快遞員”的角色
  

2 類的三個加載過程

Loading（創(chuàng)建 Class 類型的對象）

• 通過類的全限定名獲取定義此類的二進制字節(jié)流
• 將該字節(jié)流代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• 在內(nèi)存中聲明一個 java.lang.Class 類型的對象，作為方法區(qū)的該類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口

Linking（類變量分配內(nèi)存空間，賦初始值）

• 包含 驗證（verify）、準(zhǔn)備（prepare）、解析（resolve） 三個階段
• 驗證階段：確保 class 文件符合虛擬機要求，保證被加載類的正確性
• 準(zhǔn)備階段：為 類變量（static 修飾） 申請內(nèi)存空間（不包含 final 修飾的 static 類變量，因為這些變量在編譯時分配了內(nèi)存空間），并賦初始零值（final 修飾的 static 類變量為指定值）；此外，該階段不會為 實例變量（通過 this 引用） 初始化，因為實例變量隨著對象分配到堆中，而類變量分配到方法區(qū)中
• 解析階段

Initialization（類變量的賦值，執(zhí)行靜態(tài)代碼塊語句）

• 該階段的任務(wù)是，執(zhí)行類構(gòu)造器方法 <clinit>() 的過程，該方法是 javac 編譯器（前端編譯器）自動收集 類變量的賦值動作 和 靜態(tài)代碼塊的語句 合并得到的
• 子類的 <clinit>() 在父類的 <clinit>() 執(zhí)行后才能執(zhí)行
• <clinit>() 不同于類的構(gòu)造器，在 JVM 視角下，類的構(gòu)造器是 <init>() 方法
• 虛擬機保證 <clinit>() 在多線程下被同步加鎖，避免同一個類加載多次

3 類加載器的分類

• BootStrap ClassLoader（啟動類加載器）：使用 C/C++ 實現(xiàn)，沒有父類（上級，非繼承意義的父類）加載器，用于加載 Java 核心庫
• Extension ClassLoader（擴展類加載器）：繼承自 ClassLoader 類，父類（上級，非繼承意義的父類）加載器為啟動類加載器
• AppClassLoader（應(yīng)用類加載器）：繼承自 ClassLoader 類，父類（上級，非繼承意義的父類）加載器為擴展類加載器，是程序默認的類加載器
• 用戶自定義類加載器
  

4 雙親委派機制

• 是 JVM 加載類的 class 文件的機制，避免類的重復(fù)加載，防止核心 API 被篡改
• 具體地，如果有人想替換系統(tǒng)級別的類：String.java，篡改它的實現(xiàn)，在這種機制下這些系統(tǒng)的類已經(jīng)被 Bootstrap classLoader 加載過了（因為當(dāng)一個類需要加載的時候，最先去嘗試加載的就是 BootstrapClassLoader），所以其他類加載器并沒有機會再去加載，從一定程度上防止了危險代碼的植入
• 具體地，如果一個類加載器收到了類加載請求，它不會直接執(zhí)行類的加載，而是將請求委托到上級的加載器，上級的加載器遞歸執(zhí)行該過程，最終請求到達啟動類加載器
• 如果上級加載器可以執(zhí)行指定類的加載，則過程結(jié)束；否則向下級傳遞該請求，直到類可以被加載
  

5 兩個 class 對象為同一個類的必要條件

• 全類名一致
• 加載類的 ClassLoader（指 ClassLoader 實例）相同，即：同一個 class 文件，被同一個 JVM 的不同 ClassLoader 實例加載，不能算作同一個類對象

---

三 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：PC寄存器（Program Counter Register）

• 用于存儲指向下一條指令的地址（執(zhí)行引擎負責(zé)讀取下一條指令）
• 線程私有，生命周期和線程保持一致
• 是 Java 內(nèi)存中唯一一個沒有規(guī)定 OutOfMemoryError 的區(qū)域
• 使用PC寄存器存儲字節(jié)碼指令地址的作用，為什么要記錄當(dāng)前線程的執(zhí)行地址？
  一個PC寄存器記錄一個線程的字節(jié)碼指令地址，程序運行時，CPU 需要在各個線程間切換，切換到某個線程時需要還原它切換之前的現(xiàn)場，通過PC寄存器確定繼續(xù)執(zhí)行的位置

---

四 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：虛擬機棧

1 概述

• 主管 Java 程序的運行，保存方法的局部變量（8種基本數(shù)據(jù)類型+對象的引用地址）、部分結(jié)果，參與方法的調(diào)用和返回
• 棧是運行時的單位，解決程序運行的問題；堆是存儲的單位，解決數(shù)據(jù)存儲的問題
• 線程私有，生命周期和線程保持一致

2 棧可能出現(xiàn)的異常

• JVM 允許棧的容量為動態(tài)的，或是固定的
• 棧容量動態(tài)時，如果棧嘗試擴展并無法申請到足夠的內(nèi)存，或是創(chuàng)建新線程時沒有足夠的內(nèi)存創(chuàng)建對應(yīng)的虛擬機棧，拋出 OutOfMemoryError
• 棧容量固定時，請求的容量超過指定容量時，拋出 StackOverflowError

3 棧的存儲結(jié)構(gòu)和運行原理

• 棧的存儲格式是棧幀，棧幀是一個內(nèi)存區(qū)塊，維護著方法執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)信息
• 棧幀和執(zhí)行的方法是一一對應(yīng)的
• 在一個活動線程中，同一時刻只有棧頂?shù)臈腔顒拥?#xff08;即：一個線程同一時刻只能執(zhí)行一個方法），執(zhí)行引擎運行的所有字節(jié)碼指令只針對當(dāng)前棧幀進行操作
• 不同線程中包含的棧幀不允許相互引用，即不能在某個棧幀中引用另外一個線程的棧幀
• 方法返回時（使用 return 指令 / 拋出未處理的異常），當(dāng)前棧幀會將執(zhí)行結(jié)果傳遞給前一個棧幀，之后丟棄該棧幀，使得其下一個棧幀成為新的棧頂棧幀

4 棧幀的組成

組成作用

局部變量表	存儲方法的參數(shù)、定義在方法體內(nèi)的局部變量
操作數(shù)棧	保存計算過程的中間結(jié)果，同時作為計算過程中變量的臨時存儲空間
動態(tài)鏈接	將符號引用轉(zhuǎn)換為調(diào)用方法的直接引用
方法返回地址	存放調(diào)用該方法的PC寄存器的值，即調(diào)用該方法的指令的下一條指令的地址
附加信息	…

4.1 局部變量表

• 是一個數(shù)字數(shù)組，主要用于存儲方法的參數(shù)、定義在方法體內(nèi)的局部變量
• 線程私有，所以不存在數(shù)據(jù)安全問題
• 所需容量大小在編譯時確定，方法運行時不會更改
• 最基本的存儲單元是 Slot

有關(guān) Slot

引用類型、byte、short、char…占用1個 Slot；long、double 占用兩個 Slot

如果當(dāng)前方法可以訪問 this.xxx（即：當(dāng)前棧幀由構(gòu)造方法或?qū)嵗椒▌?chuàng)建），則對當(dāng)前對象的引用 this 放在首個 Slot（這解釋了為什么靜態(tài)方法不能訪問 this.xxx，因為局部變量表里沒有 this）

Slot 是可重用的，如果某個局部變量超出其作用域，則該 Slot 可以被之后聲明的變量使用

• 局部變量表中的變量，是重要的垃圾回收根節(jié)點，只要被局部變量表直接或間接引用的對象都不會被回收
• 成員變量（包括靜態(tài)變量、實例變量）和局部變量的對比

變量類型初始化過程

靜態(tài)變量	在類加載的 Linking 階段申請內(nèi)存空間并賦初始0值，在 Initialization 階段顯式賦值（靜態(tài)代碼塊賦值）
實例變量	對象創(chuàng)建時，在堆中申請內(nèi)存空間并賦初始0值
局部變量	無初始0值，使用前必須要顯式賦值

4.2 操作數(shù)棧

• 主要用于保存計算過程的中間結(jié)果，同時作為計算過程中變量的臨時存儲空間
• 方法剛開始執(zhí)行時，操作數(shù)棧被創(chuàng)建，在編譯時確定其最大深度：引用類型、byte、short、char…占用1個單位深度；long、double 占用兩個單位深度
• 不能通過索引訪問數(shù)據(jù)，只能通過棧的 push / pop
• 如果方法具有返回值，則返回值會被壓入當(dāng)前棧幀的操作數(shù)棧中，并更新PC寄存器為下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令
  

4.3 動態(tài)鏈接

• Java 源代碼被編譯成字節(jié)碼文件時，所有的變量和方法引用都作為符號引用保存在 class 文件的常量池（屬于方法區(qū)）里，動態(tài)鏈接的作用是，將符號引用轉(zhuǎn)換為調(diào)用方法的直接引用
• 為了實現(xiàn)動態(tài)鏈接，每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中的該棧幀所屬方法的引用
  

4.4 方法返回地址

• 方法的結(jié)束有兩種方式：正常退出；出現(xiàn)未處理的異常，非正常退出
• 正常退出的方法會給調(diào)用者返回值，而非正常退出的方法不會
• 無論通過哪種方式退出，方法退出后都要返回其被調(diào)用的位置
• 方法返回地址的作用是，在方法正常退出時，存放調(diào)用該方法的PC寄存器的值，即調(diào)用該方法的指令的下一條指令的地址

---

五 方法的調(diào)用

1 靜態(tài)鏈接與動態(tài)鏈接

• 此處的 “鏈接” 是將調(diào)用方法的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程，針對的是方法調(diào)用
• 某種程度上，動態(tài)鏈接對應(yīng)語言的多態(tài)特性
• 靜態(tài)鏈接：字節(jié)碼文件被裝載到 JVM 內(nèi)部時，被調(diào)用的方法在編譯期間可知，且運行時保持不變。這種情況下，將調(diào)用方法的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程，稱為靜態(tài)鏈接
• 動態(tài)鏈接：字節(jié)碼文件被裝載到 JVM 內(nèi)部時，被調(diào)用的方法在編譯期間不可知，只有在運行時才能將方法調(diào)用符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用，稱為動態(tài)鏈接

2 早期綁定與晚期綁定

• “綁定” 指的是字段、方法、類的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程
• 早期綁定：對應(yīng)靜態(tài)鏈接，在編譯時可以執(zhí)行引用的轉(zhuǎn)換
• 晚期綁定：對應(yīng)動態(tài)鏈接，只能在運行時執(zhí)行引用的轉(zhuǎn)換

3 （非）虛方法

• 非虛方法：在編譯時可以確定具體的調(diào)用版本，且在運行時不變，則該方法為非虛方法
• 靜態(tài)方法、私有方法、final 方法、構(gòu)造器方法、父類的方法 均為非虛方法，其它方法稱為虛方法
• 多態(tài)的前提是類的繼承或方法的重寫，所以不涉及到繼承和重寫的方法均為非虛方法

4 JVM 方法調(diào)用的指令

指令作用

invokestatic	調(diào)用靜態(tài)方法
invokespecial	調(diào)用<init>方法、私有方法、父類方法
invokevirtual	調(diào)用虛方法（包括 final 修飾的方法）
invokeinterface	調(diào)用接口方法
invokedynamic	動態(tài)解析并執(zhí)行需要調(diào)用的方法

• invokestatic 調(diào)用的方法， invokespecial 調(diào)用的方法，invokevirtual 調(diào)用的 final 方法，為非虛方法
• invokedynamic 是 Java8 中 lambda 表達式引入的新指令

5 虛方法表

• JVM 在每個類的方法區(qū)建立虛方法表（非虛方法不會在此出現(xiàn)），表中存放的是各個方法的實際入口，以提高動態(tài)鏈接情況下的查找性能
• 使用舉例：
  

---

六 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：本地方法棧

• 本地方法：Java 調(diào)用的非 Java 語言實現(xiàn)的方法
• 本地方法不是抽象方法，有具體實現(xiàn)，但非 Java 語言，所以 native 不能與 abstract 共同使用
• 虛擬機棧用于管理 Java 方法的調(diào)用，本地方法棧用于管理本地方法的調(diào)用
• 本地方法棧的容量可以設(shè)置為可變，也可以設(shè)置為固定

---

七 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：堆

1 概述

• 一個 JVM 實例只存在一個堆空間，在 JVM 啟動時堆的大小已確定
• 堆在物理內(nèi)存上可以不連續(xù)，但在邏輯上被視為連續(xù)的
• 除了 TLAB（Thread Local Allocation Buffer）區(qū)域，所有的線程共享堆內(nèi)存
• 堆是 GC（Garbage Collection） 執(zhí)行垃圾回收的重點區(qū)域。方法結(jié)束后，堆中的對象不會被立刻回收，而是在垃圾回收時被移除
• 所有的 對象實例 和 數(shù)組，在運行時都在堆上分配，而不是在棧上（虛擬機棧的棧幀保存的是對象實例和數(shù)組的引用）
  

2 堆的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

• 新生代（伊甸園區(qū)、幸存者1區(qū)、幸存者2區(qū)；默認比例為8:1:1）、老年代
• 永久代 / 元空間是 Hotspot JVM 對于方法區(qū)的具體實現(xiàn)，不屬于堆
• 幾乎所有對象都是在伊甸園區(qū)被創(chuàng)建的
• 分代的唯一理由是優(yōu)化 GC 性能

3 YGC / Minor GC

• 是新生代的垃圾回收機制
• 相較于 Major GC、Full GC，執(zhí)行更頻繁，所需時間更短
• 執(zhí)行流程：
• 當(dāng)伊甸園區(qū)滿的時候觸發(fā)（幸存者區(qū)滿時不會觸發(fā)）
• 對新生代（包括伊甸園區(qū)和幸存者區(qū)）執(zhí)行垃圾回收。對于沒有回收的實例，將伊甸園區(qū)的實例轉(zhuǎn)移到幸存者區(qū)，在幸存者區(qū)的實例從 from 區(qū)轉(zhuǎn)移到 to 區(qū)
• 對于幸存者區(qū)的實例，轉(zhuǎn)移次數(shù)超過設(shè)定值時，實例從幸存者區(qū)轉(zhuǎn)移到老年代，轉(zhuǎn)移到老年代的實例不再參與 Minor GC

4 Major GC & Full GC

• Major GC 針對老年代進行垃圾回收，如果進行之后內(nèi)存仍不足，則 OOM
• Full GC 針對新生代、老年代、永久代進行垃圾回收，所需時間最長，通過調(diào)優(yōu)盡量避免

5 內(nèi)存分配策略

• 對象優(yōu)先分配到伊甸園區(qū)
• 大對象直接分配到老年代
• 長期存活的對象分配到老年代
• 動態(tài)對象年齡判斷：幸存者區(qū)中，年齡相同的對象如果占幸存者區(qū)空間的一半以上，則大于等于該年齡的對象直接進入老年代，而不用到達閾值

6 線程分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）

• 在伊甸園區(qū)，為每個線程分配一塊線程獨有的內(nèi)存區(qū)域
• 多線程同時分配內(nèi)存時，使用 TLAB 可以避免一系列線程安全問題，同時提升了內(nèi)存分配吞吐量
• JVM 將 TLAB 作為內(nèi)存分配的首選，無法在 TLAB 分配時，JVM 嘗試使用加鎖機制保證線程安全，并直接在伊甸園區(qū)分配內(nèi)存
• 類的實例化過程：
  

7 逃逸分析與優(yōu)化

• 逃逸分析是 減少 Java 程序的同步負載 和 堆分配壓力的 跨函數(shù)全局流分析算法
• 如果經(jīng)過逃逸分析發(fā)現(xiàn)，對象并沒有逃逸出方法的話，該對象可能被優(yōu)化為棧上分配而非堆上分配。這么做的好處是，無需對該對象進行垃圾回收，并減緩了堆的壓力
• 結(jié)論：能使用局部變量的，就不要在方法外定義

public class EscapeAnalysis {public EscapeAnalysis obj;/*方法返回EscapeAnalysis對象，發(fā)生逃逸*/public EscapeAnalysis getInstance(){return obj == null? new EscapeAnalysis() : obj;}/*為成員屬性賦值，發(fā)生逃逸*/public void setObj(){this.obj = new EscapeAnalysis();}//思考：如果當(dāng)前的obj引用聲明為static的？仍然會發(fā)生逃逸。/*對象的作用域僅在當(dāng)前方法中有效，沒有發(fā)生逃逸*/public void useEscapeAnalysis(){EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();}/*引用成員變量的值，發(fā)生逃逸*/public void useEscapeAnalysis1(){EscapeAnalysis e = getInstance();//getInstance().xxx()同樣會發(fā)生逃逸} }

• 優(yōu)化方法與作用

優(yōu)化方法作用

棧上分配	如果對象沒有逃逸出方法，可能被優(yōu)化為棧上分配，避免了對其GC，減輕堆的壓力
同步省略	借助逃逸分析，判斷同步的代碼塊使用的鎖對象是否只能被一個線程訪問，如果是則取消代碼塊的同步
標(biāo)量替換	將符合條件的對象“打散”，分配在棧上，避免對象的創(chuàng)建，因此不使用堆的內(nèi)存

• 標(biāo)量替換的實例

/*標(biāo)量替換前*/ class Point {private int x;private int y;// 構(gòu)造方法省略... } private static void alloc() {Point p = new Point(1, 2);System.out.println("x" + p.x + "y" + p.y); }/*標(biāo)量替換后*/ private static void alloc() {int x = 1;int y = 2;System.out.println("x" + x + "y" + y); }

8 對象的內(nèi)存分配流程

對象優(yōu)先分配在 TLAB 上

如果 TLAB 無法容納，則分配在伊甸園區(qū)

伊甸園區(qū)無法容納，執(zhí)行 YGC（虛線部分為 YGC 的一部分流程，“Survivor放得下” 指的是從伊甸園區(qū)轉(zhuǎn)移過來的對象能否被幸存者區(qū)完全容納，非新對象）

YGC 后伊甸園仍然無法容納，嘗試分配到老年代

執(zhí)行 FGC 后老年代無法容納則 OOM

---

八 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：方法區(qū)（永久代 / 元空間）

1 概述

• 方法區(qū)用于存儲已被虛擬機加載的 類型信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等
• 類似于堆，在 JVM 啟動時創(chuàng)建，物理內(nèi)存空間可以不連續(xù)，容量可以設(shè)置為固定或可變
• JDK7 之前稱方法區(qū)為永久代，8 及之后稱為元空間。元空間最大的區(qū)別在于使用的是本地內(nèi)存，而非 JVM 設(shè)置的內(nèi)存
• 永久代 ≠ 方法區(qū)，因為永久代僅僅是針對 Hotspot JVM 的概念，而方法區(qū)是 JVM 的概念
• 方法區(qū)的容量決定了系統(tǒng)可以保存多少個類（類的個數(shù)而非類的實例個數(shù)），如果超出容量則 OOM: PermGen Space（JDK8 及之后為OOM: MetaSpace）
  

2 方法區(qū)與堆棧的交互

• 方法區(qū)和堆是線程共享的，而虛擬機棧、本地方法棧、PC寄存器是線程私有的
• 容量滿時的異常類型不同：
  
  -對象創(chuàng)建時，方法區(qū)與堆棧的交互：
  
• 程序執(zhí)行實例：字節(jié)碼指令存在于 class 文件

public static void main(String[] args) {int a = 500;int b = 100;int c = a / b;int d = 50;System.out.println(c + d); }

3 方法區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

• 類型信息
  對于每個加載的類型（class, interface, enum, annotation），JVM存儲：
  該類型的完整有效名稱、該類型的直接父類的有效名稱、該類型的直接接口的有效名稱有序列表、該類型的修飾符

• 域信息
  按 域聲明順序 存儲：
  域名稱、域類型、域修飾符

• 方法信息
  按 方法聲明順序 存儲：
  方法聲明順序、方法的返回值類型、方法參數(shù)的數(shù)量和類型（按聲明順序）、方法的修飾符、方法的字節(jié)碼（方法名和方法體）、操作數(shù)棧大小、局部變量表大小、異常表

• 非 final 的類變量
  即有 static 無 final 修飾的變量，類變量隨著類的加載而加載，和類數(shù)據(jù)屬于同一邏輯部分
  被 final 修飾的類變量在編譯時完成加載

• 運行時常量池
  是 字節(jié)碼文件常量池（可以看作一張表，存放索引到類名、方法名、參數(shù)類型、字面量等類型的映射，以及相互之間的調(diào)用關(guān)系） 經(jīng)過類加載后得到的結(jié)果，存放在方法區(qū)中
  JVM 為每個已加載的類型維護一個運行時常量池，運行時常量池的每一項通過索引訪問

4 方法區(qū)的發(fā)展：為什么需要元空間

• 永久代的需要的空間難以估計，而元空間的容量僅受限于本地內(nèi)存，不易產(chǎn)生 OOM
• 對永久代調(diào)優(yōu)比較困難

版本變化

1.6及之前	有永久代
1.7	去永久代，運行時常量池中的字符串常量池、靜態(tài)變量移動到堆中，原因：永久代的回收效率很低，只有老年代或永久代空間不足時觸發(fā) Full GC 才會進行回收；而放在堆里能及時回收內(nèi)存
1.8及之后	無永久代，運行時常量池中的字符串常量池、靜態(tài)變量仍在堆中，永久代的其余部分移動到本地內(nèi)存中

5 方法區(qū)的垃圾回收

主要回收的內(nèi)容：常量池中不再使用的常量，和不再使用的類型

• 常量池中不再使用的常量：類似于堆中實例的回收，一旦沒有被任何地方引用，就可以被回收
• 不再使用的類型：實現(xiàn)比較困難，需要滿足以下三個條件
  該類的所有實例都被回收（包括派生子類）
  該類的類加載器已被回收
  該類對應(yīng)的 java.lang.Class 對象在任何地方都沒有被引用，即無法通過反射訪問該類的方法

---

九 對象的實例化、內(nèi)存布局、訪問定位

1 對象創(chuàng)建的方法和步驟

2 !!對象的內(nèi)存布局

• 在 main 方法中創(chuàng)建了一個名為 cust 的對象，其內(nèi)存布局如下圖所示
• 因為是靜態(tài)方法，所以局部變量表的首位不是 this
  

---

十 String Table

1 String 的基本特性

• 聲明為 final，不可繼承
• 實現(xiàn)了 Serializable 接口，可序列化；實現(xiàn)了 Comparable 接口，可以比較大小
• JDK8 及之前使用 char[] 存儲，JDK 9 之后使用 byte[]，同時 StringBuffer 和 StringTable 也隨之更改
• 通過字面量的方式（而非 new）給一個字符串賦值，此時字符串聲明在字符串常量池中
• 字符串常量池不會存儲內(nèi)容相同的字符串
• 具有不可變性，對字符串修改時，必須重新申請內(nèi)存區(qū)域進行賦值，而不能在原內(nèi)存空間中修改
• JDK6 屬于永久代 -> JDK7 及之后屬于堆空間（詳見運行時數(shù)據(jù)區(qū)：方法區(qū)）

2 String 拼接

• 常量和常量的拼接結(jié)果，仍然放在字符串常量池，原理是編譯期優(yōu)化

• 拼接過程中只要有一個是變量（如果聲明時被 final 修飾則不能視為“變量”，編譯期優(yōu)化），結(jié)果就在堆中，原理是變量拼接使用 StringBuilder，拼接后調(diào)用 toString()，類似于 new String()

• 區(qū)別：new String() 生成的字符串會在常量池中保存一個字符串對象的復(fù)制（對象而非地址的復(fù)制），而 toString() 不會
  

• 如果拼接的結(jié)果調(diào)用 intern()，則將拼接得到的字符串放入常量池（如果使用 equals() 判斷字符串已經(jīng)存在則無需放入），并返回字符串在常量池中的地址

3 intern()

• 某個字符串調(diào)用 intern() 方法，該方法會從字符串常量池中查詢當(dāng)前字符串是否存在，若不存在則復(fù)制到字符串常量池中，并返回它在字符串常量池的地址
• 有關(guān) intern() “復(fù)制” 的說明：JDK1.6 及之前復(fù)制的是對象，將字符串對象從堆復(fù)制一份放在永久代（此時字符串常量池、靜態(tài)變量仍在永久代中）；1.7 及之后復(fù)制的是字符串對象的引用地址，將地址放入字符串常量池（此時的字符串常量池、靜態(tài)變量移動到了堆中）
• 注意以上僅針對 intern() “復(fù)制” ，new String(...) 只是單純地 創(chuàng)建兩個對象
• 調(diào)用任意字符串的 intern() 方法，返回結(jié)果指向的實例，和以常量形式出現(xiàn)的字符串實例完全相同

String s1 = "aa"; String s2 = "bb"; (s1 + s2).intern() == "aabb"; // 成立

4 創(chuàng)建了幾個對象？

• new String() 生成的字符串會在常量池中保存一份 對象的復(fù)制，而 toString() 不會
• 以下對 JDK 6/7 均成立

String s = new String("abc"); // 創(chuàng)建了2個對象，分別是堆中和字符串常量池中的 String 類型的實例 "abc" // 如何證明？看字節(jié)碼文件 String s = new String("aa") + new String("bb"); /* 創(chuàng)建了6個對象 1. new StringBuilder()，因為涉及到字符串拼接 2. new String("aa") 3. 字符串常量池中的 "aa" 4. new String("bb") 5. 字符串常量池中的 "bb" 6. StringBuilder 在拼接后調(diào)用 toString()，方法內(nèi)執(zhí)行 new String("aabb")，但不把 "aabb" 放入常量池！！ */

5 兩道難題*

String s1 = new String("a"); // 不涉及到intern()的復(fù)制，只是單純創(chuàng)建兩個對象，無論6和7 s1.intern(); // 什么都沒做 String s2 = "a"; // 6：s2 ==（字符串常量池的實例 "a" 的地址） != s1的地址 // 7：s2 ==（字符串常量池中實例 "a" 的地址） != s1的地址 sout(s1 == s2); // 6/7/8 均返回 false String s3 = new String("a") + new String("a"); s3.intern(); // "aa"放入字符串常量池，是intern()放入的，而非 new String(...)放入，區(qū)別于上面 String s4 = "aa"; // 6：s4 ==（字符串常量池的實例 "aa" 的地址） != s3的地址 // 7：s4 ==（字符串常量池中存放的 堆中 "aa" 的地址） == s3的地址 sout(s3 == s4); // 6 返回 false，7/8 返回 true

• 問題2參考上述有關(guān) intern() “復(fù)制” 的說明：JDK1.6 及之前復(fù)制的是對象，將字符串對象從堆復(fù)制一份放在永久代，創(chuàng)建了新對象（1.6 字符串常量池、靜態(tài)變量仍在永久代中）；1.7 及之后復(fù)制的是字符串對象的引用地址，將地址放入字符串常量池（1.7 字符串常量池、靜態(tài)變量移動到了堆中）
• 注意以上僅針對 intern() “復(fù)制” ，new String(...) 只是單純地 創(chuàng)建兩個對象
• 關(guān)鍵是 intern() 之前常量池里是否已有字符串，即 intern() 是否起作用
• 補充三道例題和圖解：
  
  
  

---

十一 垃圾回收相關(guān)概念

1 什么是垃圾

• 垃圾：運行程序中沒有任何指針指向的對象
• 垃圾回收的對象是堆和方法區(qū)，重點是堆。從次數(shù)上講，頻繁收集年輕代，較少收集老年代，基本不收集永久代
• 垃圾回收的步驟分為 標(biāo)記階段 和 清除階段

2 內(nèi)存溢出

• 沒有空閑內(nèi)存，并且垃圾收集器無法提供更多內(nèi)存時，發(fā)生 OOM
• 在拋出 OOM 前，通常 GC 會執(zhí)行垃圾回收，盡可能清理出空間
• 發(fā)生原因：
  可能是 JVM 堆內(nèi)存設(shè)置不夠；
  也可能是代碼中創(chuàng)建了大量大對象，并且長時間不能被垃圾收集器回收；
  或者是申請了超大對象，超過了堆的最大值，此時不觸發(fā) GC 直接 OOM

3 內(nèi)存泄漏

• 嚴格來說，只有對象不會再被程序用到了，但是 GC 又不能回收他們的情況，才稱為內(nèi)存泄漏
• 一些不好的實踐導(dǎo)致對象生命周期變長，甚至進一步導(dǎo)致 OOM，是寬泛意義上的內(nèi)存泄漏
• 舉例：
  1.單例模式。單例對象的生命周期和應(yīng)用程序是一樣長的，如果單例對象持有對外部對象的引用的話，那么這個外部對象就不能 被回收，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏
  2.一些資源未手動關(guān)閉導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。數(shù)據(jù)庫連接、套接字連接、IO連接必須手動關(guān)閉，否則不能被回收

4 強引用：存在就不回收

• 最傳統(tǒng)的“引用”，默認的引用類型，無論任何情況下， 只要強引用還存在，垃圾收集器就永遠不會回收被引用的對象
• 四種引用中，唯一需要為 OOM 負責(zé)的引用類型，即只有強引用才會導(dǎo)致 OOM
• 強引用可以直接訪問目標(biāo)對象
• 強引用指向的對象在任何時候都不會被回收，即使 OOM

5 軟引用：內(nèi)存不足時回收

• 在即將 OOM 之前，垃圾收集器會回收 僅 具有軟引用的對象，如果 GC 后仍內(nèi)存不足則 OOM
• 和弱引用類似，只不過 JVM 會盡量讓軟引用的對象存活得更久，迫不得已時才回收

Object obj = new Object(); // 聲明強引用 SoftReference<Object> soft = new SoftReference<Object>(obj); // 聲明軟引用 obj = null; // 銷毀強引用

6 弱引用：發(fā)現(xiàn)即回收

• 僅 具有弱引用的對象只能生存到下一次 GC 之前，無論內(nèi)存是否足夠，在執(zhí)行 GC 時都會回收這類對象
• 由于 GC 線程的優(yōu)先級很低，所以弱引用對象也能存在一定的時間
• 和軟引用都適合存放可有可無的緩存數(shù)據(jù)

Object obj = new Object(); // 聲明強引用 WeakReference<Object> soft = new WeakReference<Object>(obj); // 聲明弱引用 obj = null; // 銷毀強引用

7 虛引用：形同虛設(shè)，回收跟蹤

• 虛引用不會對對象的生存周期造成影響，也無法通過虛引用獲得對象（除此之外都可以通過引用獲取對象），虛引用的作用僅僅是在對象被回收時收到系統(tǒng)通知
• 四種引用中，唯一一種不能用來獲取被引用的對象的引用類型
• 虛引用可以跟蹤對象的回收時間，因此可以將一些資源釋放操作放置在虛引用對象中執(zhí)行記錄
• 必須和引用隊列一起使用，當(dāng) GC 執(zhí)行時，如果發(fā)現(xiàn)一個待回收對象具有虛引用，就會在對象回收后將虛引用加入到引用隊列，以通知對象的回收情況

Object obj = new Object(); // 聲明強引用 ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue(); // 引用隊列 PhantomReference<Object> soft = new PhantomReference<Object>(obj, queue); // 聲明虛引用，需要傳入引用隊列 obj = null; // 銷毀強引用

---

十二 垃圾回收算法

1 標(biāo)記階段：可達性分析算法

• 基本思路是，從 GC Roots 出發(fā)按照從上到下的搜索方式，確定對象是否可達，如果目標(biāo)對象沒有任何引用鏈相連，則是不可達的，標(biāo)記為垃圾對象。只有能被根對象集合直接或間接到達的對象才是存活對象
• 可以解決循環(huán)引用問題
• 可以作為 GC Roots 的對象類型：
  虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
  本地方法棧中引用的對象
  方法區(qū)中 類的靜態(tài)屬性 引用的對象
  方法區(qū)中 常量 引用的對象（字符串常量池中的對象）
  被同步鎖持有的對象
• 如果一個引用指向堆內(nèi)存里的對象，引用本身又不在堆內(nèi)存里，那么這個對象就是一個 GC Root
• 分析工作需要在能保障一致性的快照中進行，所以執(zhí)行時必須 Stop the World

2 finalize

• 垃圾回收器回收對象之前，總會先調(diào)用該對象的 finalize()
• 重寫該方法可以自定義對象被銷毀之前的處理邏輯，用于對象回收時的資源釋放
• 不要主動調(diào)用對象的 finalize() 方法，而要交給垃圾回收器調(diào)用，原因：
  finalize() 可能導(dǎo)致對象復(fù)活
  糟糕的 finalize() 會嚴重影響 GC 性能
  何時執(zhí)行 finalize() （即何時回收對象）是沒有保障的，應(yīng)該由 GC 決定
• 虛擬機中的對象處于 可觸及、可復(fù)活、不可觸及 三種狀態(tài)
  可觸及：對象由 GC Roots 可達
  可復(fù)活：對象所有引用都被釋放，但 finalize() 沒有調(diào)用，有可能在 finalize() 中復(fù)活
  不可觸及：對象的 finalize() 已被調(diào)用并且沒有復(fù)活，此時對象可以被安全回收。不可觸及的對象不可能被復(fù)活，因為對象的 finalize() 只會調(diào)用一次

3 判斷對象是否可回收的流程（至少兩次標(biāo)記）

如果沒有 GC Roots 到對象的引用鏈，則第一次標(biāo)記

判斷該對象有無必要執(zhí)行 finalize() 方法：
① 如果對象沒有重寫 finalize() 方法，或 finalize() 被調(diào)用過，則視為“沒有必要執(zhí)行”，對象被判定為不可觸及，執(zhí)行垃圾回收
② 如果對象重寫了 finalize() 方法，并且未執(zhí)行過，則對象被插入到 F-Queue 隊列中，由虛擬機自動創(chuàng)建的低優(yōu)先級線程 Finalizer 執(zhí)行其 finalize() 方法
③ 稍后 GC 對 F-Queue 中的對象進行二次標(biāo)記，如果對象執(zhí)行 finalize() 后和引用鏈上的任意對象產(chǎn)生聯(lián)系，則被移出“即將回收”集合。對象會再次出現(xiàn)沒有引用存在的情況時，該對象的 finalize() 不會再被調(diào)用，一旦 GC Roots 不可達則立刻進入不可觸及狀態(tài)

4 清除階段：標(biāo)記-清除算法

• 首先，垃圾收集器從根節(jié)點開始遍歷，標(biāo)記所有 引用的對象（而非標(biāo)記垃圾對象）；然后垃圾收集器 對堆內(nèi)存從頭到尾進行線性遍歷，如果對象沒有被標(biāo)記則將其回收
• 缺點：
  這種方式清理出來的空閑內(nèi)存是不連續(xù)的
  這里的清除指的是，把清除的對象地址保存在空閑地址列表里，以便再次為對象分配內(nèi)存時使用，因此需要維護一個空閑鏈表
  STW
  

5 清除階段：標(biāo)記-復(fù)制算法

• 將內(nèi)存空間分為兩塊，每次僅使用其中的一塊。在垃圾回收時將使用的內(nèi)存塊中的存活對象復(fù)制到未被使用的塊中，然后清除正在使用的內(nèi)存塊的所有對象，交換兩個內(nèi)存塊的角色
• 適合存活對象很少，垃圾對象很多的場景（尤其是新生代）
• 優(yōu)點：
  保證垃圾回收后空間的連續(xù)性，不會出現(xiàn)碎片問題
  三種算法中效率最高
• 缺點：
  需要兩倍的內(nèi)存空間
  STW
  
  （黑色箭頭代表引用關(guān)系）

6 清除算法：標(biāo)記-壓縮算法

• 首先，垃圾收集器從根節(jié)點開始遍歷，標(biāo)記所有 引用的對象（而非標(biāo)記垃圾對象）；然后將存活的對象壓縮到內(nèi)存的一側(cè)，按照順序排放；最后清理邊界外的所有空間
• 和 標(biāo)記-清除算法 的本質(zhì)差異在于，標(biāo)記-清除算法 是非移動式的回收算法，標(biāo)記-壓縮算法 是移動式的
• 優(yōu)點：
  內(nèi)存有序分布，可以使用指針碰撞的方式為新對象分配內(nèi)存，效率高
  解決了 標(biāo)記-清除算法 的碎片問題
• 缺點：
  效率低于上述兩種算法
  STW
  

7 三種清除算法的對比

標(biāo)記-清除標(biāo)記-復(fù)制標(biāo)記-壓縮

執(zhí)行速度	中等	最快	最慢
空間開銷	少	多	少
是否產(chǎn)生碎片	是	否	否
是否移動對象	否	是	是

8 分代收集算法

• 核心思想是，不同生命周期的對象采用不同的收集方式
• 新生代：區(qū)域比老年代小，對象生命周期短、存活率低、回收頻繁。適用 標(biāo)記-復(fù)制算法
• 老年代：區(qū)域較大，對象生命周期長、存活率高、回收不頻繁。一般采用 標(biāo)記-清除算法 和 標(biāo)記-壓縮算法 混合實現(xiàn)

---

十三 垃圾回收器

1 主要性能指標(biāo)

• 吞吐量：運行用戶代碼的時間占總運行時間的比例
• 暫停時間：執(zhí)行垃圾收集時，程序的工作線程被暫停的時間
• 內(nèi)存占用：執(zhí)行垃圾收集時占用的堆空間大小

優(yōu)秀的垃圾收集器最多三者得其二。其中，吞吐量和暫停時間也是相互矛盾的目標(biāo)，如果選擇更大的吞吐量，就會降低垃圾回收的頻率，導(dǎo)致暫停時間更長；反之，選擇更短的暫停時間，提高了垃圾回收的頻率，降低了吞吐量。當(dāng)前垃圾收集器的準(zhǔn)則是，在保證吞吐量的前提下，盡量縮短暫停時間

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的后端学习 - JVM（上）内存与垃圾回收的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。