JVM 的 工作原理，层次结构 以及 GC工作原理

JVM

Java 虚拟机 Java 虚拟机（Java virtual machine，JVM）是运行 Java 程序必不可少的机制。JVM实现了Java语言最重要的特征：即平台无关性。原理：编译后的 Java 程序指令并不直接在硬件系统的 CPU 上执行，而是由 JVM 执行。JVM屏蔽了与具体平台相关的信息，使Java语言编译程序只需要生成在JVM上运行的目标字节码（.class）,就可以在多种平台上不加修改地运行。Java 虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。因此实现java平台无关性。它是 Java 程序能在多平台间进行无缝移植的可靠保证，同时也是 Java 程序的安全检验引擎（还进行安全检查）。

JVM 是 编译后的 Java 程序（.class文件）和硬件系统之间的接口 （ 编译后：javac 是收录于 JDK 中的 Java 语言编译器。该工具可以将后缀名为. java 的源文件编译为后缀名为. class 的可以运行于 Java 虚拟机的字节码。）

JVM architecture:

JVM = 类加载器 classloader + 执行引擎 execution engine + 运行时数据区域 runtime data area class loader 把硬盘上的class 文件加载到JVM中的运行时数据区域, 但是它不负责这个类文件能否执行，而这个是 执行引擎 负责的。

什么是类加载器

类加载器是一个用来加载类文件的类。Java源代码通过javac编译器编译成类文件。然后JVM来执行类文件中的字节码来执行程序。类加载器负责加载文件系统、网络或其他来源的类文件。有三种默认使用的类加载器：Bootstrap类加载器、Extension类加载器和System类加载器（或者叫作Application类加载器）。每种类加载器都有设定好从哪里加载类。

  • Bootstrap类加载器负责加载rt.jar中的JDK类文件，它是所有类加载器的父加载器。Bootstrap类加载器没有任何父类加载器，如果你调用String.class.getClassLoader()，会返回null，任何基于此的代码会抛出NUllPointerException异常。Bootstrap加载器被称为初始类加载器。
  • 而Extension将加载类的请求先委托给它的父加载器，也就是Bootstrap，如果没有成功加载的话，再从jre/lib/ext目录下或者java.ext.dirs系统属性定义的目录下加载类。Extension加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
  • 第三种默认的加载器就是System类加载器（又叫作Application类加载器）了。它负责从classpath环境变量中加载某些应用相关的类，classpath环境变量通常由-classpath或-cp命令行选项来定义，或者是JAR中的Manifest的classpath属性。Application类加载器是Extension类加载器的子加载器。通过sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。

除了Bootstrap类加载器是大部分由C来写的，其他的类加载器都是通过java.lang.ClassLoader来实现的。

总结一下，下面是三种类加载器加载类文件的地方：

1) Bootstrap类加载器 – JRE/lib/rt.jar

2) Extension类加载器 – JRE/lib/ext或者java.ext.dirs指向的目录

3) Application类加载器 – CLASSPATH环境变量, 由-classpath或-cp选项定义,或者是JAR中的Manifest的classpath属性定义.

执行引擎

作用： 执行字节码，或者执行本地方法

runtime data area

1、PC程序计数器：一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器, NAMELY存储每个线程下一步将执行的JVM指令，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。Java 的多线程机制离不开程序计数器，每个线程都有一个自己的PC，以便完成不同线程上下文环境的切换。

2、java虚拟机栈：与 PC 一样，java 虚拟机栈也是线程私有的。每一个 JVM 线程都有自己的 java 虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

3、本地方法栈：与虚拟机栈的作用相似，虚拟机栈为虚拟机执行执行java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的本地方法服务。

4、Java堆：被所有线程共享的一块存储区域，在虚拟机启动时创建，它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配。

Java堆在JVM启动的时候就被创建，堆中储存了各种对象，这些对象被自动管理内存系统（Automatic Storage Management System，也即是常说的 “Garbage Collector（垃圾回收器）”）所管理。这些对象无需、也无法显示地被销毁。

JVM将Heap分为两块：新生代New Generation和旧生代Old Generation

Note:

  • 堆在JVM是所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也是new开销比较大的原因。

  • 鉴于上面的原因，Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间，这块空间又称为TLAB

  • TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效

5、方法区
方法区和堆区域一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储每一个类的结构信息，例如运行时常量池，成员变量和方法数据，构造函数和普通函数的字节码内容，还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInstance等方法获取信息时，这些数据都来自方法区。

方法区也是全局共享的，在虚拟机启动时候创建。在一定条件下它也会被GC。这块区域对应Permanent Generation 持久代。 XX：PermSize指定大小。

6、运行时常量池
其空间从方法区中分配，存放的为类中固定的常量信息、方法和域的引用信息。

GC

Java garbage collection is an automatic process to manage the runtime memory used by programs. By doing it automatic JVM relieves the programmer of the overhead of assigning and freeing up memory resources in a program.java 与 C语言相比的一个优势是，可以通过自己的JVM自动分配和回收内存空间。

何为GC？
垃圾回收机制是由垃圾收集器Garbage Collection GC来实现的，GC是后台的守护进程。它的特别之处是它是一个低优先级进程，但是可以根据内存的使用情况动态的调整他的优先级。因此，它是在内存中低到一定限度时才会自动运行，从而实现对内存的回收。这就是垃圾回收的时间不确定的原因。

为何要这样设计：因为GC也是进程，也要消耗CPU等资源，如果GC执行过于频繁会对java的程序的执行产生较大的影响（java解释器本来就不快），因此JVM的设计者们选着了不定期的gc。

GC有关的是: runtime data area 中的 heap（对象实例会存储在这里） 和 gabage collector方法。
程序运行期间，所有对象实例存储在运行时数据区域的heap中，当一个对象不再被引用（使用），它就需要被收回。在GC过程中，这些不再被使用的对象从heap中收回，这样就会有空间被循环利用。
GC为内存中不再使用的对象进行回收，GC中调用回收的方法--收集器garbage collector. 由于GC要消耗一些资源和时间，Java 在对对象的生命周期特征（eden or survivor）进行分析之后，采用了分代的方式进行对象的收集，以缩短GC对应用造成的暂停。

在垃圾回收器回收内存之前，还需要一些清理工作。
因为垃圾回收gc只能回收通过new关键字申请的内存（在堆上），但是堆上的内存并不完全是通过new申请分配的。还有一些本地方法（一般是调用的C方法）。这部分“特殊的内存”如果不手动释放，就会导致内存泄露，gc是无法回收这部分内存的。
所以需要在finalize中用本地方法(native method)如free操作等，再使用gc方法。显示的GC方法是system.gc()

垃圾回收技术

方法一：引用计数法。简单但速度很慢。缺陷是：不能处理循环引用的情况。
方法二：停止-复制(stop and copy)。效率低，需要的空间大，优点，不会产生碎片。
方法三：标记 - 清除算法 (mark and sweep)。速度较快，占用空间少，标记清除后会产生大量的碎片。

JAVA虚拟机中是如何做的？java的做法很聪明，我们称之为"自适应"的垃圾回收器，或者是"自适应的、分代的、停止-复制、标记-清扫"式垃圾回收器。它会根据不同的环境和需要选择不同的处理方式。

GC工作原理

JVM 分别对新生代和旧生代采用不同的垃圾回收机制

何为垃圾？

Java中那些不可达的对象就会变成垃圾。那么什么叫做不可达？其实就是没有办法再引用到该对象了。主要有以下情况使对象变为垃圾：
1.对非线程的对象来说，所有的活动线程都不能访问该对象，那么该对象就会变为垃圾。
2.对线程对象来说，满足上面的条件，且线程未启动或者已停止。

例如： 
(1)改变对象的引用，如置为null或者指向其他对象。 
   Object x=new Object();//object1 
   Object y=new Object();//object2 
   x=y;//object1 变为垃圾 
   x=y=null;//object2 变为垃圾 

(2)超出作用域 
   if(i==0){ 
      Object x=new Object();//object1 
   }//括号结束后object1将无法被引用，变为垃圾 
(3)类嵌套导致未完全释放 
   class A{ 
      A a; 
   } 
   A x= new A();//分配一个空间 
   x.a= new A();//又分配了一个空间 
   x=null;//将会产生两个垃圾 
(4)线程中的垃圾 
   class A implements Runnable{   
     void run(){ 
       //.... 
     } 
   } 
   //main 
   A x=new A();//object1 
   x.start(); 
   x=null;//等线程执行完后object1才被认定为垃圾 
   这样看，确实在代码执行过程中会产生很多垃圾，不过不用担心，java可以有效地处理他们。

JVM中将对象的引用分为了四种类型，不同的对象引用类型会造成GC采用不同的方法进行回收：

（1）强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用

（GC不会回收）

（2）软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用

（只有在内存不够用的情况下才会被GC）

（3）弱引用：在GC时一定会被GC回收

（4）虚引用：在GC时一定会被GC回收

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