1 概念

JVM 是 .class文件和硬件系統(tǒng)之間的接口，即JVM屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息，這就是java程序一次編譯到處執(zhí)行的根本原因。

2JVM的構(gòu)成

JVM = ClassLoader + execution engine + runtime data area
java虛擬機(jī) = 類加載器 + 執(zhí)行引擎 + 運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)

2.1ClassLoader

ClassLoader的核心作用就是把class文件加載到JVM中。其本質(zhì)是將Class 的字節(jié)碼形式轉(zhuǎn)換成內(nèi)存形式的 Class 對象。字節(jié)碼可以來自于磁盤文件 *.class，也可以是 jar 包里的 *.class，也可以來自遠(yuǎn)程服務(wù)器提供的字節(jié)流，字節(jié)碼的本質(zhì)就是一個字節(jié)數(shù)組 []byte，它有特定的復(fù)雜的內(nèi)部格式。

classloader.png

JVM 運(yùn)行并不是一次性加載所需要的全部類的，而是在運(yùn)行過程中按需加載，也就是延遲加載。程序在運(yùn)行的過程中會逐漸遇到很多不認(rèn)識的新類，這時候就會調(diào)用 ClassLoader 來加載這些類。加載完成后就會將 Class 對象存在 ClassLoader 里面，下次就不需要重新加載了。類加載時機(jī)有以下幾種：
1）使用new關(guān)鍵字實(shí)例化對象
2）訪問類的靜態(tài)變量(不是常量)
3）訪問類的靜態(tài)方法
4）反射如( Class.forName，這里只加載類不創(chuàng)建對象實(shí)例 )
5）當(dāng)初始化一個類時，發(fā)現(xiàn)其父類還未初始化，則先觸發(fā)父類的初始化
6）虛擬機(jī)啟動時，定義了main()方法的那個類先初始化

2.1.1ClassLoader的種類

• 1.啟動類加載器(Bootstrap ClassLoader)
  這個類加載使用C++語言實(shí)現(xiàn)的，是虛擬機(jī)自身的一部分。負(fù)責(zé)將$JAVA_HOME/lib或者 -Xbootclasspath參數(shù)指定路徑下面的文件(按照文件名識別,如 rt.jar) 加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中.啟動類加載器無法直接被 java 代碼引用。
• 2.擴(kuò)展類加載器(Extension ClassLoader)
  擴(kuò)展類加載器是指sun.misc.Launcher\$ExtClassLoader類，是Launcher的靜態(tài)內(nèi)部類，負(fù)責(zé)加載$JAVA_HOME/lib/ext目錄中的文件,或者java.ext.dirs系統(tǒng)變量所指定的路徑的類庫。
• 3.應(yīng)用程序類加載器(Application ClassLoader)
  應(yīng)用程序類加載器是指sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它負(fù)責(zé)加載系統(tǒng)類路徑java -classpath或-D java.class.path指定路徑下的類庫，也就是我們經(jīng)常用到的classpath路徑，開發(fā)者可以直接使用系統(tǒng)類加載器，一般情況下該類加載是程序中默認(rèn)的類加載器，通過ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類加載器。

2.1.2類加載順序

類的即在順序遵循雙親委派機(jī)制(Parent delegation)，即：在需要加載一個類的時候，我們首先判斷該類是否已被加載，如果沒有就判斷是否已被父加載器加載，如果還沒有再調(diào)用自己的findClass()方法嘗試加載。這個加載順序定義在java.lang.ClassLoader#loadClass()方法里。我們在自定義ClassLoader時不建議重寫loadClass()方法，而是 重寫findClass()方法。雙親委派機(jī)制的好處是提高了安全性，避免用戶自己編寫的類動態(tài)替換 Java 的一些核心類，比如 String，同時也避免了重復(fù)加載，因?yàn)?JVM 中區(qū)分不同類，不僅僅是根據(jù)類名，相同的 class 文件被不同的 ClassLoader 加載就是不同的兩個類，如果相互轉(zhuǎn)型的話會拋java.lang.ClassCaseException。

parent_delegation.png

public abstract class ClassLoader {

    private static native void registerNatives();
    static {
        registerNatives();
    }

    // The parent class loader for delegation
    // Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
    // must be added *after* it.
    private final ClassLoader parent;
    ……

2.1.3自定義類加載器

ClassLoader 里面有三個重要的方法 loadClass()、findClass()和 defineClass()。
loadClass() 方法是加載目標(biāo)類的入口，它首先會查找當(dāng)前 ClassLoader 以及它的雙親里面是否已經(jīng)加載了目標(biāo)類，如果沒有找到就會讓雙親嘗試加載，如果雙親都加載不了，就會調(diào)用 findClass() 讓自定義加載器自己來加載目標(biāo)類。ClassLoader 的 findClass()方法是需要子類來覆蓋的，不同的加載器將使用不同的邏輯來獲取目標(biāo)類的字節(jié)碼。拿到這個字節(jié)碼之后再調(diào)用 defineClass() 方法將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成 Class 對象。
適用場景：
1.加載加密的.class文件。
將正常的.class文件用代碼加密以后，自定義ClassLoader 類，重寫findClass()方法，用同樣的加密算法對讀出文件的字節(jié)流進(jìn)行解密。參考：自定義ClassLoader對Class加密并解密
2.解決同名class不同版本共存問題（鉆石引用）
參考：老大難的 Java ClassLoader，到了該徹底理解它的時候了

2.2runtime data area

JVM在運(yùn)行時將數(shù)據(jù)劃分為了5個區(qū)域來存儲:heap, java stack, native method stack, PC register, method area。

runtime-data-area.png

Java虛擬機(jī)棧模型.png

image.png

5、方法區(qū)
方法區(qū)在JVM中也是一個非常重要的區(qū)域，它與堆一樣，是被線程共享的區(qū)域。在方法區(qū)中，存儲了每個類的信息（包括類的名稱、方法信息、字段信息）、靜態(tài)變量、常量以及編譯器編譯后的代碼等。方法區(qū)是堆的一個邏輯部分，為了區(qū)分Java堆，它還有一個別名Non-Heap（非堆）。相對而言，GC對于這個區(qū)域的收集是很少出現(xiàn)的。當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。在Java 7及之前版本，我們也習(xí)慣稱方法區(qū)它為“永久代”（Permanent Generation），更確切來說，應(yīng)該是“HotSpot使用永久代實(shí)現(xiàn)了方法區(qū)”！
6、運(yùn)行時常量池
運(yùn)行時常量池是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外,還有一項(xiàng)信息是常量池( Constant pool table)，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入運(yùn)行時常量池中存放。運(yùn)行時常量池相對于class文件常量池的另外一個特性是具備動態(tài)性，java語言并不要求常量一定只有編譯器才產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入class文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中。
7、直接內(nèi)存
直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是JVM規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。但這部分內(nèi)存也被頻繁的使用，而且也可能導(dǎo)致OutOfMemoryError異常出現(xiàn)。JDK1.4中新引入了NIO機(jī)制，它是一種基于通道與緩沖區(qū)的新I/O方式，可以直接從操作系統(tǒng)中分配直接內(nèi)存，即直接堆外分配內(nèi)存，這樣能在一些場景中提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

各個區(qū)域共享情況.png

詳情參考：Java內(nèi)存管理-JVM內(nèi)存模型以及JDK7和JDK8內(nèi)存模型對比總結(jié)（三）

3 GC

GC動作發(fā)生之前，需要確定堆內(nèi)存中哪些對象是存活的，一般有兩種方法：引用計(jì)數(shù)法和可達(dá)性分析法。
1、引用計(jì)數(shù)法
在對象上添加一個引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個對象引用它時，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)使用完該對象時，計(jì)數(shù)器減1，計(jì)數(shù)器值為0的對象表示不可能再被使用。引用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡單，判定高效，但不能解決對象之間相互引用的問題。
2、可達(dá)性分析法
通過一系列稱為 “GC Roots” 的對象作為起點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索，搜索路徑稱為 “引用鏈”，以下對象可作為GC Roots：

• 本地變量表中引用的對象
• 方法區(qū)中靜態(tài)變量引用的對象
• 方法區(qū)中常量引用的對象

• Native方法引用的對象
  當(dāng)一個對象到 GC Roots 沒有任何引用鏈時，意味著該對象可以被回收。

  
  
  image
  
  

  在可達(dá)性分析法中，判定一個對象objA是否可回收，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程：
  1）如果對象objA到 GC Roots沒有引用鏈，則進(jìn)行第一次標(biāo)記。
  2）如果對象objA重寫了finalize()方法，且還未執(zhí)行過，那么objA會被插入到F-Queue隊(duì)列中，由一個虛擬機(jī)自動創(chuàng)建的、低優(yōu)先級的Finalizer線程觸發(fā)其finalize()方法。finalize()方法是對象逃脫死亡的最后機(jī)會，GC會對隊(duì)列中的對象進(jìn)行第二次標(biāo)記，如果objA在finalize()方法中與引用鏈上的任何一個對象建立聯(lián)系，那么在第二次標(biāo)記時，objA會被移出“即將回收”集合。