JVM 尚硅谷

一、JVM整体结构
二、类加载子系统
三. 运行时数据区
四.本地方法库
五对象的实例化
六. 执行引擎
七. String Table
八. 垃圾回收算法
八. 垃圾回收的一些概念
九. 垃圾回收器

一、JVM整体结构

HotSpot VM是市面上高性能代表作之一。
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执行引擎：解释运行，高级语言翻译成机器语言。
包括解释器，JIT 编译器，垃圾回收GC。

1.Java代码执行流程

java虚拟机执行字节码文件，操作系统只识别机器指令。
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2.JVM架构模型

Java编译器输入的指令流是一种基于栈的指令集架构，
另一种是基于寄存器的指令集架构（x86）。
基于栈的指令集架构：
使用零地址指令方式分配，指令集小，8位，但用的指令多。

javap -v .class//反编译

基于栈的指令集架构：

跨平台性，指令集小，指令多；执行性能比寄存器差。
设计实现简单。

3. JVM的生命周期

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（inital class）来完成。
自定义类通过系统类加载器加载。
虚拟机的退出：Runtime类或System类的exit方法，Runtime类的halt方法。
JNI也有

二、类加载子系统

1. 结构

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2.类加载子系统作用

负责从文件系统或者网络中加载.class文件
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加载链接初始化

加载 loading：

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流；将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class, 作为方法去这个类的各种数据的访问入口

链接linking

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初始化

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任何一个类声明以后，至少存在一个类的构造器。

3. 类加载器的分类：

引导类加载器是用c++写的
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下面四个是包含关系，不是继承关系。
ClassLoader 是一个抽象类（abstract）都不是抽象方法
对于用户自定义类来说：默认使用 系统类加载器 进行加载

Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。

为什么要自定义类加载器？

隔离加载类
修改类的加载方式
扩展加载源
防止源码泄漏

4. 双亲委派机制

向上委托，如果父类不能加载，才由自己处理。
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优点：
避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心API被篡改

5. 沙箱安全机制

自定义String 类，加载时先使用引导类加载器加载，防止引导类加载器被破坏。
保护

6. 类的主动使用和被动使用

区别在于会不会导致类的初始化。
除了七种主动使用，其他都是被动使用。

三. 运行时数据区

1. 总体结构

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运行时数据区：

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一个JVM实例对应一个Runtime实例

2. 线程说明

JVM系统线程
不包括main线程以及所有这个main线程自己创建的线程。
有虚拟机线程，周期任务线程，GC线程，编译线程，信号调度线程。

3. 程序计数器（PC register）

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码，
由执行引擎读取下一条指令。
程序控制流的指示器，它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM情况的区域，也没GC。
栈结构没有GC，但有OOM。

PC register 例子 + 2个面试题

执行引擎去取PC寄存器对应行的指令
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使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用？为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？

因为CPU需要不停地切换各个线程，这时候切换回来后，就得知道接着从哪开始继续执行。
JVM的字节码解释器需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

PC寄存器为什么是线程私有？

准确记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，独立计算，互不干扰。

CPU时间片

每个程序轮流执行

4. 虚拟机栈（重要）

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JVM就是基于栈设计，
优点：跨平台，指令集小，编译器容易实现，
缺点：性能下降
栈是运行时的单位，堆是存储的单位（对象在堆中）。

栈的存储单位，栈帧，一个栈帧对应一个java方法。
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作用：主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量，部分结果，并参与方法的调用和返回。

a. 栈的特点：

访问速度仅次于PC寄存器。
只有两个操作：入栈，出栈。
不用GC，但有OOM。

b. 虚拟机栈的常见异常？

Java虚拟机栈的大小是动态的或者是固定不变的，

StackOverFlowError：

如果采用固定不变的栈，那每一个线程的JVM栈容量可以在线程创建时单独选定，线程请求分配的栈容量超过最大容量，抛出异常。（自己调自己栈溢出）

OutOfMemoryError：

如果采用动态扩展的栈，在尝试申请扩展的时候没有足够的内存或在创建新的线程时没有足够的内存创建对应的虚拟机栈，抛OOM异常。
设置栈内存大小：-Xss

c. 栈的存储结构和运行原理

每个线程都有自己的栈，栈中的数据以栈帧的格式存在，在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧。
当前栈帧，当前方法，当前类。
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方法的结束方式：
正常return；方法执行中出现未捕获的异常，抛出异常返回。

d.栈帧的内部结构

局部变量表和操作数栈是重点
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局部变量表（1 很重要）

定义一个数字数组，
局部变量表是建立在线程的栈上，线程私有，不存在安全问题。
方法嵌套调用的次数由栈的大小决定，栈帧里主要影响它的大小的就是局部变量表。
用jclassjib查看

变量槽slot

局部变量表最基本的存储单元是slot
局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot，64位占两个有long，double

静态方法中是不允许引入this的，this变量不存在于当前方法的局部变量表中。
非静态方法：this在索引为0处的slot
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静态变量和局部变量的对比

变量的分类：

按照数据类型：基本数据类型（8种），引用数据类型（类，接口，数组）
按照在类中声明的位置：成员变量（会默认初始化），局部变量（必须初始化，显式赋值）。

在栈帧中，与性能调优关系最密切的部分就是局部变量表，其中的变量也是重要的垃圾回收根节点（根搜索算法？），只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

操作数栈 operand stack（2）

栈：可以用数组或链表实现。

保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量的临时存储空间。不是通过索引，push pop。
JVM的解释引擎就是基于栈的执行引擎，其中的栈就是操作数栈。
当一个方法开始执行的时候，一个新的栈帧被会随之被创建出来，此时这个方法的操作数栈是空的。

栈顶缓存技术 Top of Stack Cashing

栈式架构，零地址指令，指令集小，指令多。
所以将栈顶元素全部缓存到物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。

动态链接（3）

每一个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用
在字节码文件中，有一个区域是常量池 constant pool。（方法区）
动态链接的作用就是在每一次运行期间将符号引用转换为调用方法的直接引用。
静态解析：在类加载的时候就转化为直接引用。
常量池：提供一些符号和常量，便于指令的识别。

静态链接（目标方法在编译期确定）：

动态链接（运行期）：
虚函数，在运行期才能确定下来

JVM提供5条方法调用字节码指令，

虚方法和非虚方法：
非虚方法：在编译期就确定了具体的调用版本，包括静态方法，私有方法，final方法，实例构造器，父类方法。
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不加super. 说明子类可能会重写，无法在编译期间确定，就是虚方法。多态

动态类型语言（判断变量值类型）和静态类型语言（判断变量类型）：
对类型的检查是在编译期还是运行期。
java里的lambda表达式是invokedynamic（java7中新加的），动态语言。
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虚方法表：
为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表，使用索引表来代替查找。

方法返回地址（4）

方法正常退出时，存放调用该方法的pc寄存器的值。即返回到方法被调用的位置；方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器表来确定。

附加信息（5）

例如对程序调试相关的信息，可以没有。

e.虚拟机栈的五个面试题

1 举例栈溢出的情况？ StackOverFlowerror

通过设置-Xss 设置栈的大小

2 调整栈的大小，能保证不溢出嘛？不能

如果本身是死循环肯定不行。

3 分配的栈内存越大越好吗？

使得线程数变小，其他资源变少。

4 垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？不是！

5 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体分析

StringBuilder 线程不安全，转为 String 就安全了
StringBuffer 线程安全，有syno同步
线程安全？
如果只有一个线程可以操作此数据或。多线程共享数据，且不考虑同步机制，会存在线程安全问题。

5.堆

最大空间
方法区和堆对于一个进程来说是唯一的，一个JVM实例
堆在物理上不连续，逻辑上应该被视为连续
方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅在垃圾回收时才被移除
所有的对象实例及数组都应在运行时分配在堆上，栈里放引用对象的地址值

但其实堆空间只有新生区，养老区。
-Xmx 分配的最大内存是电脑内存的1/4
-Xms 初始化内存1/64
-XX: PrintGCDetails 打印垃圾回收信息

OOM 异常

堆空间内存溢出，对象或数组实体撑爆内存空间。

堆区结构

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8:1:1 Eden:from:to的分配，新生：老年 1:2
两个survivor区由于碎片化。

对象分配过程

来对象，Eden区满，进行young GC/MInor GC，把不是垃圾的提到幸存者区，第二次young GC后，把所有不是垃圾的放到 to区（from区的也要判断一下），直到年龄计数器达到15，晋升promotion到老年代。
最大的15临界值可以修改，
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触发young GC：Eden区满，幸存者区满不会触发，但是Eden区满触发young GC，也会一起回收S0，属于被动回收。

复制之后有交换，谁空谁是to
关于GC：频繁收集新生区，很少收集养老代几乎不在永久区/元空间收集。

垃圾回收过程

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Minor GC 与Major GC与FUll GC

JVM在进行GC时，并非每次都对新生代，老年代；方法区一起回收，大部分回收的都是新生代。
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from to区的GC是被动的

full GC触发条件

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分代思想：
优化GC性能

内存分配策略

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堆空间为每个线程分配的TLAB

Thread Local Allocation Buffer
堆区是线程共享，由于对象实例的创建在JVM中很频繁，因此在并发环境下从堆区中划分内存空间线程不安全；为避免多个线程操作同一地址。

对Eden区继续划分，JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域，包含在Eden空间内
避免线程不安全，TLAB是内存分配的首选

堆空间的常用参数设置

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堆是分配对象存储的唯一选择吗？

逃逸分析技术：栈上分配，标量替换优化。
如果逃逸分析后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，就可能栈上分配，不用GC，堆外存储。
是否发生逃逸？

一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。可以栈上分配
被外部方法所引用，发生逃逸，如作为调用参数传递到其他地方

能使用局部变量的，就不要在方法外定义。
优化 83-86 没看

6.方法区

方法区里面放的类

栈堆方法区的交互关系

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栈中的局部变量表里放的对象引用。

方法区落地实现在元空间，线程共享。

jdk8之前，方法区的实现是永久代；jdk8开始，方法区的实现是元空间，元空间使用本地内存。在这里插入图片描述

//参数设置 jdk8
-XX:MaxMetaspaceSize=size
-XX:MetaspaceSize=size

如何解决OOM？（重要）

dump文件
内存泄漏
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没有必要静态，有没有必要方法外使用。

方法区内部结构

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字节码文件的方法区记录了加载器，彼此互相记录。
常量在编译期赋值，静态变量在初始化阶段赋值
有静态属性，进行过显式赋值或静态代码块赋值，对应有类构造器方法。

编译器会把

 - 类变量初始化
 - static{}块
 - 
收敛到 类构造器 <clinit>()方法 中，
<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物; <clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有 类变量的赋值动作 和 静态语句块（static{}块）中的语句 合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的;