深入理解JavaSEJVM

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。

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。

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。

• 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。

• 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。

• 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。