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- 說明：本文在 Java 8 Hotspot 64位操作系統(tǒng)下構(gòu)思
小強是一個工作3年有余的開發(fā)工程師，從他的發(fā)量你就可以知道，小強資歷還尚淺。
最近公司沒什么事，他也開始無聊起來了。這天下午，同事們在激烈的討論這業(yè)務，但他沒有參與，于是他決定學習些什么知識，無聊的翻著各個網(wǎng)頁，發(fā)現(xiàn)JVM是各位大神們推薦過的知識，于是決定好好看一看。
5分鐘過后……
小強感到這知識有些枯燥乏味，怪不得是大神們能看的！又看了幾分鐘，小強倦意襲來，揉了揉睡眼惺忪的眼睛。
然而就在這一刻，他突然發(fā)現(xiàn)周圍同事激烈討論的聲音聽不到了，安靜到了極致。
1. 入界
小強努力的睜開眼睛，才發(fā)現(xiàn)自己竟然身處一個白茫茫的空間中，嚇得一跳，心想我這是怎么了，穿越了？但穿越也得穿越到一個人間如畫，美女如云的地方啊……，這境地……
突然前方走來一個白胡子老頭，小強正想開口，老頭捷足先登：你好，我是這個JVM世界的締造者，你可以叫我 “HotSpot”，不過這無所謂，因為我所創(chuàng)造的這個世界，是按照 “JVM規(guī)范” 來完成的。我正在休息時，發(fā)現(xiàn)來了一位客人，原來是你。
小強：我是想問……
老頭： 不用問，我知道，你是想了解一下我創(chuàng)造的這個世界吧！跟我來吧。
這老頭，我還沒說話，這就結(jié)束了！好吧，跟你看看且說。
老頭邊走邊道：JVM 的世界 空間是有限的，我們堅持一個原則 : 各司其職，不留無用之人！
小強： ??！好殘酷。
老頭： 不，這不是殘酷，我們這個世界生來就是為客戶提供服務，為客戶發(fā)光發(fā)熱的，每個人奉獻出了自己的能力就是圓滿完成任務，退出舞臺是理所應當?shù)?，也是他們最好的歸宿。
小強：也是，這樣這個世界才不會那么擁擠，才能井然有序的工作，我怎么這么不開竅呢……
2. 布局
過來，帶你先看看我們世界的整體組成和中心區(qū)如何布局。
先來看看我們最主要的日常工作區(qū)(運行時數(shù)據(jù)區(qū))，為了讓我們工作起來更有效率，我們將世界空間劃分為這幾個板塊。
居住區(qū)-堆
這里是人們工作外的居住區(qū)，居住區(qū)我們基于人們的年齡也進一步分出了，伊甸區(qū)，幸存者區(qū)，老年區(qū)。
工作區(qū)-棧
每個任務來臨時，都會在工作區(qū)單獨開辟出一個地方來用于完成這個任務。
記錄者-程序計數(shù)器
由于我們同時能做的任務有限，所以我們需要為不同的任務劃分出不同的時間片，我們在切換任務的時候，需要一個記錄者，能夠記錄我們這個任務做到了哪里，下次回來能夠繼續(xù)做。
倉庫管理區(qū)-方法區(qū)
這里存放著工人的模板以及常用的不變的工具等。
3. 生與死
這里工作的人們都會經(jīng)歷生與死，大部分人們活不到老年，但這不重要，重要的是他為我們做出了貢獻。
3.1 出生
老頭：這里的每個人都有一個模板(類)，看到那個正在居住區(qū)休息的高個嗎？他叫張三，他是根據(jù)外部客戶給定的模板 “ User Class” 創(chuàng)造的，他可是客戶最喜愛的工人了。你知道客戶的這些模板(類)是如何進入的到我們的世界中的嗎？
小強：這個我知道點，之前看過一點點。這個過程還是有些復雜的，客戶的模板(類)是通過一個翻譯工廠（編譯器) 將它翻譯成class 字節(jié)碼，因為你們這個世界只認識字節(jié)碼，然后有你們的加載系統(tǒng)將它們加載到這里。
加載過程中有這些階段：
其中加載階段是由加載器來完成的。
老頭：是的，我們提供了三種工廠，啟動類加載器，擴展類加載器，應用類加載器，當然客戶也可以自定義加載器。
小強：他們遵循著雙親委派模型，但是我一直不太理解這個詞！
老頭： 這是由于你們語言翻譯的問題導致，這個模式叫 “parents delegation”，知道了吧！它是指有你的父輩們來幫你完成。
小強：那雙親委派模式 有什么好處呢？
老頭：
- 具有優(yōu)先級層次的關(guān)系可以避免模板(類)的重復加載
- 安全考慮可以防止Java核心api被替換
老頭繼續(xù)道：那連接過程中的三步，你知道是做什么嗎？
小強：具體的我就不知道了哎……
老頭笑了笑：對于客戶定義的模板(類)，我們可不是來者不拒的，為了我們這個世界的安全以及能提供更好的服務，我們會對模板做一些驗證及后續(xù)操作。
驗證包括格式驗證，元數(shù)據(jù)驗證，字節(jié)碼驗證，符號驗證。當驗證通過后，我們會為模板所依賴的東西（類變量）分配空間，最后將符號引用替換為直接引用。
老頭看了看小強眉頭緊皺，于是繼續(xù)補充：你可能不了解什么是符號引用和直接引用！
符號引用就是在編譯時，并不知道模板(類)所依賴的其他東西，會在我們的空間中的哪個位置，只能用符號來表示。
直接引用就是 所有東西被加載到這里后會有自己的真實空間地址，然后去替換符號引用。這樣運行時就能找到它們所依賴的東西了。
最后就是初始化了，這個階段主要是對類變量初始化，是執(zhí)行類構(gòu)造器的過程。
小強：我怎么沒看到這些模板呢？
老頭：這些模板我把他們隱藏在世界的后方，大多數(shù)人是見不到的，他們統(tǒng)稱為 Klass。
小強：不對??！你是不是搞錯了？不應該叫 Class嗎？
老頭：哈哈！我剛才說了，大多數(shù)人見不到，你就是其中之一啊！你們平時見到的 Class只是對 Klass的一種封裝而已，真正記錄模板中的具體元信息的就是 Klass。這回要記住了，年輕人。
3.2 工人
小強： 為什么你的工人是等量差的身高呢？
老頭：你的觀察還是挺仔細的嘛！是的，他們確實是等量差的，想要知道為什么，要先了解這些工人有哪些部分組成。
它們頭部大小是固定的，身體大小是由自己的屬性數(shù)據(jù)決定的，而最后的腳部卻是我來決定的，如果前面兩個數(shù)據(jù)的大小沒有達到 8 的倍數(shù)，那么我就會來填充，所以就是這里的填充使得他們擁有了等量的身高差（內(nèi)存對齊）。
我是基于兩點原因來這個締造他們的：
- 平臺原因：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。
- 性能原因：中央大腦(CPU)訪問內(nèi)存是有內(nèi)存訪問粒度的，就是每次訪問內(nèi)存的長度是固定的，如果不這樣做，那么中央大腦起需要訪問兩次內(nèi)存，而對齊后只需要一次。
小強：嗯，明白了！那能給我說說這些工人在居住區(qū)為什么要不斷的搬遷呢？
3.3 成長
老頭：經(jīng)過長時間的觀察，我發(fā)現(xiàn)每個工人的生命長短是不一樣的。所以我把居住區(qū)分為新生代，老年代，然后讓他們合理的搬遷，這樣能有效的利用空間而且讓垃圾小分隊工作更有效率。
工人誕生后會分配到Eden區(qū)，當Eden區(qū)人員快滿時，垃圾小分隊會來清掃，清掃后如果工人還活著，那么他們將搬遷至Survivor區(qū)中的其中一個，當這個Survivor快滿時，垃圾小分隊會將還活著的工人搬遷至另一個Survivor區(qū)中，就這樣重復著，每經(jīng)歷一次垃圾小分隊的清掃，活著的工人就會長大一歲，直到工人的年齡達到15歲，到達后會將他們搬遷至老年代生活的地方。但也有例外，如果某個工人吃的太胖，新生代容不下他，那么他將直接去老年代住下。當老年代快住滿時，將會有垃圾大掃除(full gc)。
小強：原來如此?。拇宋以僖膊皇侵恢蓝褏^(qū)棧區(qū)的菜鳥啦！哈哈哈哈……
老頭：小伙子，不要高興太早！你到目前為止所了解的仍是九牛一毛。
3.4 死亡證明
小強：如何確定工人是否到達生命的盡頭呢？
第一種：引用計數(shù)法
給每個工人添加一個引用計數(shù)器，就是只要有人需要這個工人幫忙，那么就給這個工人的計數(shù)加1，反之，別人不再需要這個工人的幫忙，那么計數(shù)就減1，直到這個計數(shù)為0，那么表示這個工人生命到了盡頭。
但這種方法有個問題：如果A工人和B工人相互需要幫忙，但沒有任何其他工人或任務需要他們兩個，那么他們兩個會永遠活下！所以這種方法我們不會采取的。
第二種：可達性分析法
我們找出被稱為 “GC roots”的工人作為起點，依次尋找他們工作中依賴的工人，這就可以知道哪些工人是沒有必要在存在下去了。
小強：我怎么知道哪些是 “GC roots”工人呢？
老頭：
- 工作區(qū)（棧）中的需要用到的工人
- 倉庫（方法區(qū)）中模板（類）本身需要的工人（靜態(tài)，常量）
- 世界后方（native方法）需要的工人
小強：Got it!
4. 回收
老頭：下面我?guī)闳フJ識一下垃圾小分隊的人物吧！不過在認識他們之前你最好了解一下，垃圾清除的基本方法論。
4.1 基本方法論
收集垃圾遵循的基本方法論有以下幾種：
-
標記-清除
首先標記出所有需要回收的工人(對象)，在標記完成后統(tǒng)一回收所有被標記的工人。
但這個有兩個缺點：1. 效率不高 2. 會產(chǎn)生許多碎片空間
-
復制
將可用的空間一分為二，每次只使用其中一塊，當快使用完時，小分隊回收，然后將活著的工人搬遷至另一塊。
這雖然解決了標記-清除的效率問題，但此種方法卻縮小了一半空間。
-
標記-整理
首先標記出所有需要回收的工人(對象)，然后將存活的工人移動到空間的一端，然后清理掉邊界以外的工人。
小強笑了笑：原來是這三種算法啊！我知道！
老頭：既然知道，那跟我來認識一下垃圾清掃隊的人吧！
4.2 主要成員
垃圾清掃隊有好幾個小隊組成，客戶喜歡哪個小隊可以指定讓誰來工作，他們各個隊伍的清掃方式各不相同也各有優(yōu)劣。
我給你介紹一下兩個主要成員吧，CMS，G1兩個小隊出列。
CMS：到，我們是CMS分隊，全稱叫 “Concurrent Mark Sweep”，顧名思義，我們是采用標記清除算法的并發(fā)小分隊，我們以獲取最短回收停頓時間為目標。
小強：那你說說你們是如何工作的？
CMS：我們主要分四個步驟工作，1. 初始標記 2.并發(fā)標記 3.重新標記 4.并發(fā)清除
小強：算啦，這么多步驟太需要時間來了解了，我現(xiàn)在知道你的優(yōu)點了，那你的缺點有什么呢？
CMS：這怎么還帶揭人傷疤的……
老頭這時嚴肅的咳嗽了兩聲，其意CMS立馬捕獲到了，委屈的說：
我有三個缺點：
- 當資源不是很充足時，占用過多的資源，導致任務變慢
- 無法處理浮動垃圾，我們清理的時候，工人同時也在工作，我們標記后，正好有些工人不在需要了
- 我們分隊遵循的是“標記-清除”算法，所以會產(chǎn)生大量碎片空間，導致世界大掃除(full gc)提前到來
心直口快的小強來了句：原來你的問題這么嚴重，老頭竟然沒把你們小分隊辭掉……
CMS：你…… 想當年我們分隊可是紅極一時的……
那么我猜G1是不是可以彌補CMS的不足呢？
G1: 說實話，我們分隊的目標就是替換CMS分隊…… （JDK14 CMS正式落下帷幕）
小強不懷好意的笑了起來，哈哈……，CMS翻著白眼躲到一旁的角落暗自傷感去了。
小強：那G1說說你的能耐吧！
G1: 我們隊是基于標記整理算法的，因此不會產(chǎn)生大量碎片空間
我們同時引入了分區(qū)的思路，弱化了分代的概念
我們的停頓時間是可控的，可避免雪崩現(xiàn)象
我們也能充分利用客戶給我們的資源，減少停頓時間
這是我們隊的優(yōu)勢，接下來我給你詳細介紹下我們隊的情況……
小強：好的！你繼續(xù)……
回歸
就在小強聽的興趣濃濃時，天空中突然出現(xiàn)一只巨大無比的手向他襲來，小強躲閃不開，啊……
小強捂著自己的頭，有點恍惚，抬頭一看，擦，技術(shù)總監(jiān)……你怎么也在這？
總監(jiān)：我不在這我在哪？在家睡大覺嗎！
這時小強才回過神來，原來自己還在辦公室，大事不妙?。?/p>
總監(jiān)：小強，回家多爽，明天就不用來了吧！
小強一慌，腦袋靈機一動：總監(jiān)，知道我剛才在做什么嗎？那可不是在睡覺，我有一個故事你且聽聽再做決定。
吧啦吧啦……
最后我將本文知識總結(jié)成了思維導圖：
思維導圖
說明：
- 【作者】：flyhero
- 【公眾號】：碼上實戰(zhàn)。
- 【簡介】：想做個擁有理論的實戰(zhàn)派。
- 【福利】：關(guān)注微信公眾號，回復：“JVM” 獲取思維導圖
- 【轉(zhuǎn)載】：轉(zhuǎn)載請說明出處，謝謝合作！
