别再说自己不会JVM了，看完这篇能和面试官扯上半小时

r囧r小猫 2023-03-06 03:44 78阅读 0赞

作者：JonesYang  
链接：[出自][Link 1]  
来源：掘金

## 前言 ##

> **如果本篇文章有错，欢迎各路大神疯狂diss～～当然喽，如果你看了这篇文章有所收获，那就疯狂点赞吧，你的点赞就是对我的最大鼓励。可以顺便加个关注哦，回家不迷路，不定期更新博客～～**

周志明那本《深入理解 JAVA 虚拟机》翻了一遍又一遍，终于鼓起勇气在这里写下关于 JVM 的博客！！！现在，我要开始把我所理解到的记录在这里，和各位朋友一起分享！！！

我相信点开这篇文章的小伙伴一定知道JVM是啥了吧？What，还不知道？好吧，看看维基我想你应该就会明白了：[Java虚拟机- 维基百科，自由的百科全书][Java_-]

不过，作为一个爱思考的在校大学生，我也总结了以下三点：

*  一个能够运行字节码的虚拟机。
 *  屏蔽了具体的操作系统的信息。
 *  正是以上两点，使得Java程序具有**一次编译，到处执行**的特性。

关于JVM是什么的介绍就到这里，还是老样子，先来看看这篇文章的结构：

![img][]

## 运行时数据区域 ##

什么是**运行时数据区域**？

Java程序在运行时，会为JVM单独划出一块内存区域，而这块内存区域又可以再次划分出一块**运行时数据区**，运行时数据区域大致可以分为五个部分：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1MTUyMDE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

从上面的图中，有两种颜色不同的区域，红色的是线程共享区域，绿色的是线程私有区域。下面我们一个一个讲清楚，不过在学习这部分的时候，最好先思考为什么会有这些区域。**难道是因为存在即合理**？

### **堆(Heap)** ###

很多做开发的同学，会格外关注堆和栈，这是不是就从另一个角度说明了堆和栈的重要性？既然如此，我们就从同学们关注的点开始说。（贴心吧，是不是感觉眼角再一次被打湿？）

先把干货放上来，首先，**Java堆区具有下面几个特点：**

*  存储的是我们**new**来的对象，不存放基本类型和对象引用。
 *  由于创建了大量的对象，垃圾回收器主要工作在这块区域。
 *  线程共享区域，因此是线程不安全的。
 *  能够发生内存溢出，主要有OutOfMemoryError和StackOverflowError。

那么什么时候发生OutOfMemoryError，什么时候发生StackOverflowError？虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，**将抛出OutOfMemoryError异常**，线程请求的栈深度超过虚拟机所允许的最大深度，**将抛出StackOverflowError异常**。

其实，Java堆区还可以划分为**新生代和老年代**，新生代又可以进一步划分为**Eden区、Survivor 1区、Survivor 2区**。具体比例参数的话，可以看一下下面这张图。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1MTUyMDE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

我想图中已经解释相当清楚了，就没有必要文字说明了吧？关于Java堆对象的创建，以及何时会发生内存泄漏，我后面应该会专门写一篇文章，这里的话就只是一些理论介绍。

### **虚拟机栈(VM Stack)** ###

Java虚拟机栈也是一块被开发者重点关注的地方，同样，先把干货放上来：

*  **线程私有区域，每一个线程都有独享一个虚拟机栈，因此这是线程安全的区域。**
 *  存放基本数据类型以及对象的引用。
 *  每一个方法执行的时候会在虚拟机栈中创建一个相应栈帧，方法执行完毕后该栈帧就会被销毁。**方法栈帧是以先进后出的方式虚拟机栈的。**
 *  每一个栈帧又可以划分为**局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口**以及额外的附加信息。
 *  这个区域可能有两种异常：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常（通常是递归导致的）；JVM动态扩展时无法申请到足够内存则抛出OutOfMemoryError异常。

**同样，这篇文章反响好的话，实战练习后面单独出文章。**

### **本地方法栈(Native Method Stack)** ###

本地方法栈其实可以和Java虚拟机栈进行对比理解，唯一不同的是**本地方法栈是Java程序在调用本地方法的时候创建栈帧的地方**。和JVM栈一样，这个区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

### **方法区(Method Area)** ###

方法区，也应该是以一块被重点关注的区域。同样，**方法区的主要特点如下：**

*  线程共享区域，因此这是线程不安全的区域。
 *  方法区也是一个可能会发生OutOfMemoryError的区域。
 *  方法区存储的是从Class文件加载进来的静态变量、类信息、常量池以及编译器编译后的代码。

对于方法区，我觉得重点应该说一下常量池。**常量池可以分为Class文件常量池以及运行时常量池**，Java程序运行后，Class文件中的信息被字节码执行引擎加载到了方法区，从而形成了运行时常量池。

另外，说起方法区，可能还有人会把它与永久代、元空间混为一谈。那么他们之间的区别到底是什么？**方法区是Java虚拟机规范中的定义，是一种规范**，而永久代是一种实现，**一个是标准一个是实现。不过Java 8以后就没有永久代这个说法了，元空间取代了永久代。**

### **程序计数器(Program Counter Register)** ###

程序计数器非常简单，想必大家都不是Java的初学者了，**也都应该明白一点线程与进程的概念？**(灵魂拷问，你明白么？)不明白没关系，我一句话给你讲清楚。

**进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位，一个进程可以包含多个线程，** **Java线程通过抢占的方法获得CPU的执行权**。现在可以思考下面这个场景。

某一次，线程A获得CPU的执行权，开始执行内部程序。但是线程A的程序还没有执行完，在某一时刻CPU的执行权被另一个线程B抢走了。后来经过线程A的不懈努力，又抢回了CPU的执行权，**那么线程A的程序又要从头开始执行？**

这个时候程序计数器就粉墨登场了，**它的作用就是记录当前线程所执行的位置。** 这样，当线程重新获得CPU的执行权的时候，就直接从记录的位置开始执行，分支、循环、跳转、异常处理也都依赖这个程序计数器来完成。此外，程序计数器还具有以下特点：

*  **线程私有，每一个线程都有一个程序计数器，因此它是线程安全的。**
 *  **唯一一块不存在OutOfMemoryError的区域，可能是设计者觉得没必要。**

## 对象的创建与访问 ##

### **对象的创建** ###

前面我们已经说过，对象是在堆中创建的，**通常**只需要**new**一个就行了。难道就是这么简单？确实没有这么简单，就单单是这样的new关键字，Java虚拟内部进行了一系列的sao操作。

当虚拟机遇到字节码**new**指令时，就会去运行时常量池寻找该实例化对象相对应的类是否被加载、解析和初始化。如果没有被加载，就会先加载该类的信息，否则就为新生对象分配内存。

分配内存无非有两种方法：

*  指针碰撞：通过一个类似于指针的东西为对象分配内存，前提是堆空间是相对规整的。
 *  空闲列表：堆空间不规整，使用一个列表记录了哪些空间是空闲的，分配内存的时候会更新列表。

以上是两种不同的方法，至于虚拟机使用哪一种方法，这个就取决虚拟机的类型了。

### **对象的内存布局** ###

对象在堆中的存储布局可以分为三个部分：

*  **对象头**
    
     *  第一类信息：存储对象自身的运行时数据，例如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等等。
     *  第二类信息：指针类型，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是那个类的实例。
 *  **实例数据**：对象真正存储的有效信息。
 *  **对齐填充**：没有实际的意义，起着占位符的作用。

### **对象的访问定位** ###

我们前面说到过，Java虚拟机栈中存储的是基本数据类型和对象引用。基本数据类型我们已经很清楚了，那么，这个对象引用又是什么鬼？

是这样的，对象实例存储在Java堆中，通过这个对象引用我们就可以找到对象在堆中的位置。但是，对于如何定位到这个对象，不同的Java虚拟机又有不同的方法。

通常情况下，有下面两种方法：

*  使用句柄访问，通常会在Java堆中划分一块句柄池。
 *  使用直接指针，这样Java虚拟机栈中存储的就是该对象在堆中的地址。

![使用句柄访问对象][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1MTUyMDE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

![使用直接指针访问对象][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1MTUyMDE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

这两种访问对象的方法各有优势。使用直接指针进行访问，就可以直接定位到对象，减小了一次指针定位的时间开销（使用句柄的话会通过句柄池的指针二次定位对象），最大的好处就是速度更快。但是使用句柄的话，就是当对象发生移动的时候，可以不用改变栈中存储的reference，只需要改变句柄池中实例数据的指针。

## 垃圾收集算法 ##

### **论对象已死？** ###

前面一部分我们都在讲对象，一个对象能够被创建，那么这个对象在什么时候被销毁了？通常，判断一个对象是否被销毁有两种方法：

*  **引用计数算法：** 为对象添加一个引用计数器，每当对象在一个地方被引用，则该计数器加1；每当对象引用失效时，计数器减1。但计数器为0的时候，就表白该对象没有被引用。
 *  **可达性分析算法：** 通过一系列被称之为“**GC Roots**”的根节点开始，沿着引用链进行搜索，凡是在引用链上的对象都不会被回收。

![img][img 1]

就像上图的那样，绿色部分的对象都在GC Roots的引用链上，就不会被垃圾回收器回收，灰色部分的对象没有在引用链上，自然就被判定为可回收对象。

那么，问题来了，这个GC Roots又是什么？下面列举可以作为GC Roots的对象：

*  Java虚拟机栈中被引用的对象，各个线程调用的参数、局部变量、临时变量等。
 *  方法区中类静态属性引用的对象，比如引用类型的静态变量。
 *  方法区中常量引用的对象。
 *  本地方法栈中所引用的对象。
 *  Java虚拟机内部的引用，基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象。
 *  被同步锁（synchronized）持有的对象。

现在，我们已经知道哪些对像是可以回收的。那么又要采取什么方式对对象进行回收呢？垃圾回收算法主要有三种，依次是**标记-清除算法**、**标记-复制算法**、**标记-整理算法**。这三种垃圾收集算法其实也比较容易理解，下面我先介绍概念，然后在依次总结一下。

### **标记–清除算法** ###

见名知义，标记–清除算法就是对无效的对象进行标记，然后清除。如下图：

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对于标记–清除算法，你一定会清楚看到，在进行垃圾回收之后，堆空间有大量的碎片，出现了不规整的情况。在给大对象分配内存的时候，由于无法找到足够的连续的内存空间，就不得不再一次触发垃圾收集。另外，如果Java堆中存在大量的垃圾对象，那么垃圾回收的就必然进行大量的标记和清除动作，这个势必造成**回收效率的降低**。

### **标记–复制算法** ###

标记–复制算法就是把Java堆分成两块，每次垃圾回收时只使用其中一块，然后把存活的对象全部移动到另一块区域。如下图：

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-sB9ImqiV-1596590696522)(data:image/svg+xml;utf8,<?xml version="1.0"?> )\]

标记–复制算法有一个很明显的缺点，那就是每次只使用堆空间的一半，造成了**Java堆空间使用率的的下降**。

现在大部分Java虚拟机的垃圾回收器使用的就是**标记–复制算法**，但是，对于Java堆空间的划分，并不是简单地一分为二。

还记得这张图么？

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前面讲Java内存结构的时候，提到过Java堆的具体划分，那现在就来好好的说一说。

首先得从两个分代收集理论说起：

*  弱分代假说：大多数对象的生命存活时间很短。
 *  强分代假说：经过越多次垃圾收集的对象，存活的时间就越久。

正是这两个分代假说，使得设计者对Java堆的划分更加合理。下面，来说一下GC的分类：

*  **Minor GC/Young GC**：针对新生代的垃圾收集。
 *  **Major GC/Old GC**：针对老年代的垃圾收集。
 *  **Full GC**：针对整个Java堆以及方法区的垃圾收集。

好了，知道了GC的分类，是时候知道GC的流程了。

通常情况下，初次被创建的对象存放在新生代的**Eden区**，当第一次触发**Minor GC**，Eden区存活的对象被转移到**Survivor区**的某一块区域。以后再次触发**Minor GC**的时候，Eden区的对象连同一块Survivor区的对象一起，被转移到了另一块Survivor区。可以看到，这两块Survivor区我们每一次只使用其中的一块，这样也仅仅是浪费了一块Survivor区。

每经历过一次垃圾回收的对象，它的分代年龄就加1，当分代年龄达到15以后，就直接被存放到老年代中。

还有一种情况，给大对象分配内存的时候，Eden区已经没有足够的内存空间了，这时候该怎么办？对于这种情况，**大对象就会直接进入老年代**。

### **标记–整理算法** ###

标记–整理算法算是一种折中的垃圾收集算法，在对象标记的过程，和前面两个执行的是一样步骤。但是，进行标记之后，存活的对象会移动到堆的一端，然后直接清理存活对象以外的区域就可以了。这样，既避免了内存碎片，也不存在堆空间浪费的说法了。但是，每次进行垃圾回收的时候，都要暂停所有的用户线程，特别是对老年代的对象回收，则需要更长的回收时间，这对用户体验是非常不好的。如下图：

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OCFZsTPf-1596590696526)(data:image/svg+xml;utf8,<?xml version="1.0"?> )\]

## HotSpot的算法细节 ##

### **根节点枚举** ###

根节点枚举，其实就是找出可以作为GC Roots的对象，在这个过程中，所有的用户线程都必须停下。到目前为止，几乎还没有虚拟机可以做到GC Roots遍历与用户线程并发执行。当然，可达性分析算法中**最耗时的寻找引用链的过程**已经可以做到和用户线程并发执行了。那么，为什么需要在根节点枚举的时候停止用户线程？

其实也不难考虑，如果进行GC Roots遍历的时候，用户线程没有暂停，根节点集合的对象引用关系还在不断发生变化，这样遍历到的结果是不准确的。那么，Java虚拟机在查找GC Roots的时候，是真的需要进行全局遍历？

其实不是这样的，HotSpot虚拟机通过一个叫做OopMap的数据结构，可以知道哪些地方存储了对象引用。这样，大大减小了GC Roots的遍历时间。

### **安全点** ###

安全点，是线程能够中断的点。我们在GC Roots遍历的时候，是一定要让用户线程停下来的。问题来了，线程是可以在任意位置停下来吗？为了使得线程到达最近的安全点停下来，有两种思路：

*  **抢先式中断：** 暂停所有的用户线程，如果哪条线程没有在安全点，就恢复这条线程执行，直到它跑到安全点上在中断。不过没有Java虚拟机采用这种思路。
 *  **主动式中断：** 不对线程进行操作，仅仅设置一个简单的标志位，线程执行的时候不断区轮询这个标志位，当这个标志位为真的时候，线程就在离自己最近的安全点挂起。

### **安全区域** ###

**安全区域是安全点的拉伸和扩展**，安全点解决了如何让线程停下，却没有解决如何让虚拟机进入垃圾回收状态。

安全区域是指能能够确保在某一代码片段中，引用关系不会发生变化的区域。因此，一旦线程进入了安全区域，就可以不去理会这些处于安全区域的线程。当线程离开安全区域的时候，虚拟机就会检查是否完成了根节点枚举。

### **记忆集与卡表** ###

不知道大家是否考虑过这样的一个问题？既然Java堆有新生代老年代的划分，那么对象引用是否会存在跨代？如果存在跨代，又该如何解决老年代的GC Roots遍历问题？

首先，**跨代引用是存在的**。因此，垃圾收集器在新生代建立了一个叫做记忆集的数据结构，用来避免把整个老年代假如GC Roots的扫描范围。

**记忆集是抽象的数据结构，而卡表是记忆集的具体实现**，这种关系就类似与方法区与元空间。

### **写屏障** ###

写屏障的作用很简单，就是对卡表进行**维护和更新**。

### **并发的可达性分析** ###

前面我们说到过为什么要暂停所有的用户线程（这个动作也被称之为**Stop The World**）？**这其实是为了不让用户线程改变GC Roots对象的引用**。试想，如果用户线程能够随便把死亡的对象重新标记为存活，或者把存活的对象标记为死亡，这岂不是会使的程序发生意想不到的错误。

## 经典的垃圾收集器 ##

知道了不少的垃圾收集理论，但是具体到某一类的垃圾收集器，其实现方式又不全然相同。下面就介绍一些常见的垃圾收集器。

### **Serial 收集器** ###

Serial 收集器是最基础、历史最悠久的收集器，它在进行垃圾收集的时候会暂停所有的工作线程，直到完成垃圾收集过程。下面是Serial垃圾收集器的运行示意图：

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ixBUiOa6-1596590696529)(data:image/svg+xml;utf8,<?xml version="1.0"?> )\]

### **ParNew 收集器** ###

ParNew 垃圾收集器实则是Serial 垃圾收集器的多线程版本，这个多线程在于ParNew垃圾收集器可以使用多条线程进行垃圾回收。

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2q1QcEFY-1596590696530)(data:image/svg+xml;utf8,<?xml version="1.0"?> )\]

### **Parallel Scavenge 收集器** ###

也是一款新生代垃圾收集器，同样的基于标记–复制算法实现的。**它最大的特点是可以控制吞吐量。**

那什么是吞吐量呢？

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Cnj6zOfp-1596590696531)(data:image/svg+xml;utf8,<?xml version="1.0"?> )\]

### **Serial Old 收集器** ###

Serial Old 收集器是Serial 收集器的老年代版本。其垃圾收集器的运行原理和Serial 收集器是一样的。

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fC0WLCjQ-1596590696532)(data:image/svg+xml;utf8,<?xml version="1.0"?> )\]

### **Parallel Old 收集器** ###

Parallel Old 收集器同样是Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，支持多线程并发收集。下面就是它的运行示意图：

![img][img 2]

### **CMS 收集器** ###

前面说到过Parallel Scavenge 收集器，它是一个可以控制吞吐量的垃圾收集器。现在要说的CMS 收集器，它是一个追求最短停顿时间的垃圾收集器，基于标记–清除算法实现的。CMS 垃圾收集器的运作过程相对前面几个垃圾收集器来说比较复杂，整个过程可以分为四个部分：

*  **初始标记：** 需要Stop The World，这里仅仅标记GC Roots能够直接关联的对象，所以速度很快。
 *  **并发标记：** 从关联对象遍历整个GC Roots的引用链，这个过程耗时最长，但是却可以和用户线程并发运行。
 *  **重新标记：** 修正并发时间，因为用户线程可能会导致标记产生变动，同样需要Stop The World。
 *  **并发清除：** 清除已经死亡的对象。

### **Garbage First 收集器** ###

Garbage First（简称G 1）收集器是垃圾收集器发展史上里程碑式的成果，主要面向服务端应用程序。另外G 1收集器虽然还保留新生代和老年代的概念，但是新生代和老年代不在固定，它们都是一系列区域的动态集合。

[Link 1]: https://juejin.im/post/6856958647445291021
[Java_-]: https://zh.wikipedia.org/wiki/Java%E8%99%9A%E6%8B%9F%E6%9C%BA
[img]: /images/20230208/db28830e20ce432c9bfe4efbe604db4d.png
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