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深入理解JavaSEJVM

JVM内存分为程序计数器、元数据区、栈和堆。类加载经历加载、连接、初始化,通过双亲委派模型避免冲突。垃圾回收采用可达性分析标记垃圾,分代回收结合复制与标记-整理算法,新生代分为伊甸区和两个幸存区,对象经多次GC后晋升老年代。

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    JVM,全称Ja va虚拟机,是Ja va运行环境的核心。你可以把它想象成一台专门运行Ja va字节码的虚拟计算机,它的职责清晰:加载并运行字节码,提供运行时环境,管理内存和垃圾回收等。那么,JVM内部究竟是怎么组织的?它是如何加载类文件,又是怎样自动清理垃圾的?我们从最基础的区域划分说起。

    一、JVM内存区域划分

    JVM的设计思路很有意思——它直接模仿了真实操作系统的进程地址空间划分。毕竟,真实操作系统里,一个进程的地址空间被细分成了若干区域,JVM也就照葫芦画瓢,做了类似的区域划分。具体来说,有四个核心区域:

    1. 程序计数器:一个很小的区域,只用来记录当前指令执行到哪个地址。没什么花活,就是记个位置。
    2. 元数据区:保存当前类被加载好的数据(也就是类对象 .class)。Ja va 8之前它叫方法区,后来改了个名。
    3. 栈:保存方法的调用关系。每个方法被调用时,栈里就会压入一个栈帧,方法执行完,栈帧弹出,干净利落。
    4. 堆:保存所有通过 new 创建的对象。比如这句代码:Test t = new Test(),new Test() 一定在堆里,而 t 放在哪里?如果 t 是局部变量,就在栈;如果是成员变量,就在堆;如果是静态成员变量,就在元数据区。这一点需要特别留意。

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    二、类加载机制

    2.1 类加载的步骤

    一个类从磁盘上的 .class 文件变成内存中可用的类对象,需要经历三个步骤:

    1. 加载:根据类的全限定名(包名+类名),找到对应的 .class 文件,打开它,把文件内容读到内存中。这一步只是把原始字节码搬进来。
    2. 连接:这一步又细分为三个子步骤:
      • 2.1 验证:检查 .class 文件的内容是否合法,同时把合法内容转成结构化的数据。
      • 2.2 准备:给类对象申请内存空间——注意,此时申请到的空间是全0的,相当于一块干净的画布。
      • 2.3 解析:针对字符串常量进行初始化,把解析出来的字符串常量放到元数据区的常量池里。
    3. 初始化:将类对象真正初始化,所有静态变量被赋予初始值,静态代码块开始执行。

    2.2 双亲委派模型

    双亲委派模型描述的是类加载过程中,根据全限定类名找到 .class 文件的具体方式。JVM内部有专门的模块负责类加载,默认提供了三种类加载器,它们之间存在父子关系:

    1. BootstrapClassLoader(爷):负责找Ja va标准库的目录。
    2. ExtensionClassLoader(爸):负责找Ja va扩展库的目录。
    3. ApplicationClassLoader(儿):负责找第三方库和当前项目的目录。

    过程是这样的:当需要加载一个类时,先从 ApplicationClassLoader 作为入口,但它不会直接去找,而是把加载任务交给父亲 ExtensionClassLoader;父亲又交给爷爷 BootstrapClassLoader。爷爷先在自己的范围内(Ja va标准库)找,找到了就加载,没找到就抛回给儿子;儿子再在自己的范围里找,如果还是没找到,最后就抛给 ApplicationClassLoader。如果连它都找不到,就抛出异常。这种层层委托的机制,有效地避免了类加载的冲突和重复加载。

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    三、垃圾回收机制 (GC)

    Ja va中释放内存(主要是针对堆上的对象)的手段,就是垃圾回收。在C语言里,手动申请的内存需要手动释放,稍有不慎就会内存泄漏或野指针。Ja va引入了GC,让它自动识别哪些内存后续不会再被使用,然后自动释放。整个过程分为两步:找到垃圾,释放垃圾。

    找到垃圾:有两种方案——引用计数和可达性分析。Ja va最终选择了可达性分析。

    • 引用计数:每个对象在 new 的时候,都搭配一个小的内存空间,保存一个整数,表示指向这个对象的引用个数。每次引用赋值都触发计数的修改,当计数为0时,这个对象就是垃圾。但这种方法有两个缺陷:一是内存消耗更多,二是可能出现循环引用——两个对象互相引用,但外部引用已经变空,计数却永远不会变为0,导致它们永远无法被回收。
    • 可达性分析:用时间换空间,是一个周期性的过程,每隔一段时间触发一次。它以代码中的一些特定对象(栈上的局部变量、常量池引用的对象、静态成员等)作为遍历的起点,然后尽可能去遍历,判断每个对象是否能被访问到。每次访问到一个对象,就把它标记为“可达”。当所有对象遍历完,那些未被标记的,就是垃圾。

    释放垃圾:有几种典型的算法,各有优劣。

    • 标记-清除:直接把垃圾对象的内存释放掉。缺点很明显——会产生内存碎片,回收后内存空间变得不连续,后续分配大对象时可能失败。

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    • 复制算法:把一块内存空间一分为二,一次只使用其中一半。垃圾回收时,先将不是垃圾的对象复制到另一半没使用的内存中,然后再把这一半整体释放掉。缺点:内存空间利用率低(只有一半可用),而且一旦不是垃圾的对象很大,复制的成本就很高。

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    • 标记-整理:类似于顺序表删除数据,把不是垃圾的对象向前移动,最后回收后面一片内存。缺点:内存搬运数据的成本很高。

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    • 分代回收:这是Ja va实际采用的策略,它把上面几种方式结合起来,主要是复制算法和标记-整理算法。这里的“代”指的是对象经历的GC轮次。首先将内存分为新生代区和老年代区。一个对象刚被创建时轮次为0,每经历一轮GC,轮次加1。如果一个对象的轮次已经很大了,说明它大概率还会存在很久,GC的频率就会降低。进一步地,新生代又被分为伊甸区和两个幸存区,比例大约是8:1:1。新创建的对象放入伊甸区,大部分伊甸区的对象熬不过第一轮GC,熬过去的就通过复制算法进入一个幸存区;一个幸存区的对象如果又熬过一轮GC,就通过复制算法进入另一个幸存区,反复跳跃。如果某个对象在幸存区经历了多轮GC,它就会晋升到老年代区。老年代区使用的就是标记-整理回收机制。对了,如果一个对象特别大,会直接进入老年代区,省得在新生代里折腾。
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