JAVA学习总结之JVM概述

参考博客
JVM理解其实并不难！
JVM的内存区域划分
Java垃圾回收机制

JVM内存区域

由于Java程序是交由JVM执行的，所以我们在谈Java内存区域划分的时候事实上是指JVM内存区域划分。在讨论JVM内存区域划分之前，先来看一下Java程序具体执行的过程：

如上图所示，首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀)，然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中，JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息，这段空间一般被称作为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是我们常说的JVM内存。因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间进行管理（如何分配和回收内存空间）。
根据《Java虚拟机规范》的规定，运行时数据区通常包括这几个部分：程序计数器(Program Counter Register)、Java栈(VM Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)、方法区(Method Area)、堆(Heap)。JVM运行时数据区如下：

如上图所示，JVM中的运行时数据区应该包括这些部分。在JVM规范中虽然规定了程序在执行期间运行时数据区应该包括这几部分，但是至于具体如何实现并没有做出规定，不同的虚拟机厂商可以有不同的实现方式。

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register），也有称作为PC寄存器。想必学过汇编语言的朋友对程序计数器这个概念并不陌生，在汇编语言中，程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令。
虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说是用来指示执行哪条指令的。
由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。
在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。
由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

Java虚拟机栈

虚拟机栈（Java Vitual Machine Stack）也就是我们常常所说的栈，跟C语言的数据段中的栈类似。事实上，Java栈是Java方法执行的内存模型。
Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么在使用递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。下图表示了一个Java栈的模型：

• 局部变量表，顾名思义，想必不用解释大家应该明白它的作用了吧。就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。
• 操作数栈，想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。
• 指向运行时常量池的引用，因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。
• 方法返回地址，当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。
注意这个区域可能出现的两种异常：一种是StackOverflowError，当前线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时，会抛出这个异常。制造这种异常很简单：将一个函数反复递归自己，最终会出现栈溢出错误（StackOverflowError）。另一种异常是OutOfMemoryError异常，当虚拟机栈可以动态扩展时（当前大部分虚拟机都可以），如果无法申请足够多的内存就会抛出OutOfMemoryError，如何制作虚拟机栈OOM呢，参考一下代码：

public void stackLeakByThread(){
    while(true){
        new Thread(){
            public void run(){
                while(true){
                }
            }
        }.start()
    }
}

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用很相似，他们的区别在于虚拟机栈为执行Java代码方法服务，而本地方法栈是为Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。在JVM规范中，并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。

Java堆

Java堆可以说是虚拟机中最大一块内存了。它是所有线程所共享的内存区域，几乎所有的实例对象都是在这块区域中存放。当然，随着JIT（just in time,即时编译技术）编译器的发展，所有对象在堆上分配渐渐变得不那么“绝对”了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在的收集器基本上采用的都是分代收集算法，所有Java堆可以细分为：新生代和老年代。在细致分就是把新生代分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。当堆无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，在方法区中，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。它与堆一样，是被线程共享的区域，很容易理解，我们在写Java代码时，每个线程度可以访问同一个类的静态变量对象。
在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。
在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。
在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”，是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域，从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后，Hotspot虚拟机便将运行时常量池从永久代移除了。
同样，当方法区无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError。 制造方法区内存溢出，注意，必须在JDK1.6及之前版本才会导致方法区溢出，原因后面解释,执行之前，可以把虚拟机的参数-XXpermSize和-XX：MaxPermSize限制方法区大小。

List<String> list =new ArrayList<String>();
int i =0;
while(true){
    list.add(String.valueOf(i).intern());
} 

运行后会抛出java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space异常。 解释一下，String的intern()函数作用是如果当前的字符串在常量池中不存在，则放入到常量池中。上面的代码不断将字符串添加到常量池，最终肯定会导致内存不足，抛出方法区的OOM。
下面解释一下，为什么必须将上面的代码在JDK1.6之前运行。我们前面提到，JDK1.7后，把常量池放入到堆空间中，这导致intern()函数的功能不同，具体怎么个不同法，且看看下面代码：

String str1 =new StringBuilder("hua").append("chao").toString();
System.out.println(str1.intern()==str1);

String str2=new StringBuilder("ja").append("va").toString();
System.out.println(str2.intern()==str2);

这段代码在JDK1.6和JDK1.7运行的结果不同。JDK1.6结果是：false,false ，JDK1.7结果是true, false。原因是：JDK1.6中，intern()方法会吧首次遇到的字符串实例复制到常量池中，返回的也是常量池中的字符串的引用，而StringBuilder创建的字符串实例是在堆上面，所以必然不是同一个引用，返回false。在JDK1.7中，intern不再复制实例，常量池中只保存首次出现的实例的引用，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的字符串实例是同一个。为什么对str2比较返回的是false呢？这是因为，JVM中内部在加载类的时候，就已经有”java”这个字符串，不符合“首次出现”的原则，因此返回false。

垃圾回收（GC）

JVM的垃圾回收机制中，判断一个对象是否死亡，并不是根据是否还有对象对其有引用，而是通过可达性分析。对象之间的引用可以抽象成树形结构，通过树根（GC Roots）作为起点，从这些树根往下搜索，搜索走过的链称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明这个对象是不可用的，不过要注意的是被判定为不可达的对象不一定就会成为可回收对象。被判定为不可达的对象要成为可回收对象必须至少经历两次标记过程，如果在这两次标记过程中仍然没有逃脱成为可回收对象的可能性，则基本上就真的成为可回收对象了。
那么那些对象可作为GC Roots呢？主要有以下几种：
1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
2. 方法区中类静态属性引用的对象。
3. 方法区中常量引用的对象
4. 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。

另外，Java还提供了软引用和弱引用，软引用是在JVM内存不够的情况下才进行回收，软引用使用在想尽可能的保留这个对象的时候使用；而弱引用类型是不管JVM内存是否够用都会回收该对象，弱引用使用在想尽可能的去释放这个对象的时候使用，我们将一些比较占内存但是又可能后面用的对象，比如Bitmap对象，可以声明为软引用；而对于Handle中引用的Activity，我们尽可能的想Handler去释放它，所以可以声明为弱引用。但是注意一点，每次使用这个对象时候，需要显示判断一下是否为null，以免出错。
下面用三个常见的例子来总结一下平常遇到的比较常见的将对象判定为可回收对象的情况：
- 显示地将某个引用赋值为null或者将已经指向某个对象的引用指向新的对象，比如下面的代码：

Object obj = new Object();
obj = null;
Object obj1 = new Object();
Object obj2 = new Object();
obj1 = obj2;

• 局部引用所指向的对象，比如下面这段代码：

void fun() {
.....
    for(int i=0;i<10;i++) {
        Object obj = new Object();
        System.out.println(obj.getClass());
    }   
}

循环每执行完一次，生成的Object对象都会成为可回收的对象。
- 只有弱引用与其关联的对象，比如：

WeakReference<String> wr = new WeakReference<String>(new String("world"));

三种常见的垃圾收集算法

在确定了哪些垃圾可以被回收后，垃圾收集器要做的事情就是开始进行垃圾回收，但是这里面涉及到一个问题是：如何高效地进行垃圾回收。由于Java虚拟机规范并没有对如何实现垃圾收集器做出明确的规定，因此各个厂商的虚拟机可以采用不同的方式来实现垃圾收集器，所以在此只讨论几种常见的垃圾收集算法的核心思想。
- 标记-清除算法
首先，通过可达性分析将可回收的对象进行标记，标记后再统一回收所有被标记的对象，标记过程其实就是可达性分析的过程。这种方法有2个不足点：效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，标记清除之后会产生大量的不连续的内存碎片，碎片太多可能会导致后续过程中需要为大对象分配空间时无法找到足够的空间而提前触发新的一次垃圾收集动作。

• 复制算法
  为了解决效率问题，复制算法是将内存分为大小相同的两块，每次只使用其中一块。当这块内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块内存上面。然后再把已经使用过的内存一次清理掉。这使得每次只对半个区域进行垃圾回收，内存分配时也不用考虑内存碎片情况。
  

但是，这代价实在是让人无法接受，需要牺牲一半的内存空间。显然，Copying算法的效率跟存活对象的数目多少有很大的关系，如果存活对象很多，那么Copying算法的效率将会大大降低。
- 标记-整理算法
标记整理算法很简单，就是先标记需要回收的对象，在完成标记之后，它不是直接清理可回收对象，而是将存活对象都向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存。具体过程如下图所示：

• 分代收集算法
  分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。
  目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取复制（Copying）算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但是实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，默认比例为Eden：Survivor=8:1。新生代区域就是这么划分，每次实例在Eden和一块Survivor中分配，回收时，将存活的对象复制到剩下的另一块Survivor。这样只有10%的内存会被浪费，但是带来的效率却很高。当剩下的Survivor内存不足时，可以去老年代内存进行分配担保。如何理解分配担保呢，其实就是，内存不足时，去老年代内存空间分配，然后等新生代内存缓过来了之后，把内存归还给老年代，保持新生代中的Eden：Survivor=8:1.另外，两个Survivor分别有自己的名称：From Survivor、To Survivor。二者身份经常调换，即有时这块内存与Eden一起参与分配，有时是另一块。因为他们之间经常相互复制。
  而由于老年代的特点是每次回收都只回收少量对象，一般使用的是标记-整理（Mark-Compact）算法。
  注意，在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation），它用来存储class类、常量、方法描述等。对永久代的回收主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

类加载机制

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。

其中加载、验证、准备、初始化、和卸载这5个阶段的顺序是确定的。而解析阶段不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java的运行时绑定。
在JVM的实现规范中要求，所有类的“主动使用“虚拟机才执行上述过程初始化相应的类，那么问题就归结为“主动使用”的意义。
- 创建类的实例。Object A = new ClassA();
- 访问某个类或接口的静态变量或对静态变量赋值;
- 调用类的静态方法;
- 使用反射机制;
- 初始化一个类的子类时，父类也被主动使用;
- 启动类.

另外要注意的是：通过子类来引用父类的静态字段，不会导致子类初始化：

public class SuperClass{
    public static int value=123;
    static{
        System.out.printLn("SuperClass init!");
    }
}

public class SubClass extends SuperClass{
    static{
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}
//output
//SuperClass init! 

对于静态变量，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过子类类引用父类中定义的静态变量只会触发父类初始化而不会触发子类初始化。
通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化：

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        SuperClass[] sca=new SuperClass[10];
    }
}

常量会在编译阶段存入调用者的常量池，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类初始化，示例代码如下：

public class ConstClass{
    public static final String HELLO_WORLD="hello world";
    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        System.out.print(ConstClass.HELLO_WORLD);
    }
}
//上面代码不会出现ConstClass init!

加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制手读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后再堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法去内的数据结构。
所以加载过程主要做以下3件事
- 通过一个类的全限定名称来获取此类的二进制流
- 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
- 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据访问入口。

验证

这个阶段主要是为了确保Class文件字节流中包含信息符合当前虚拟机的要求，并且不会出现危害虚拟机自身的安全。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都在方法区中分配。首先，这个时候分配内存仅仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量。实例变量会在对象实例化时随着对象一起分配在java堆中。其次这里所说的初始值“通常情况下”是数据类型的零值，假设一个类变量定义为

public static int value=123;

那变量value在准备阶段后的初始值是0，而不是123，因为还没有执行任何Java方法，而把value赋值为123是在程序编译后，存放在类构造函数clinit()方法中。

解析

解析阶段是把虚拟机中常量池的符号引用替换为直接引用的过程。

初始化

类初始化时类加载的最后一步，前面类加载过程中，除了加载阶段用户可以通过自定义类加载器参与以外，其余动作都是虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才是真正执行类中定义Java程序代码。
准备阶段中，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，根据程序员通过程序制定的主观计划初始化类变量。初始化过程其实是执行类构造器clinit()方法的过程。
clinit()方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的。收集的顺序是按照语句在源文件中出现的顺序。静态语句块中只能访问定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量可以赋值，但不能访问。如下所示：

public class Test{
    static{
        i=0;//給变量赋值，可以通过编译
        System.out.print(i);//这句编译器会提示：“非法向前引用”
    }
    static int i=1;
}

clinit()方法与类构造函数（或者说实例构造器init()）不同，他不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证子类的clinit()方法执行之前，父类的clinit()已经执行完毕。