JAVA常用知识总结（三）——JAVA虚拟机

先附一张JAVA虚拟机内存结构图：

其中JAVA虚拟机的线程问题《为什么JAVA虚拟机分为线程共享和非线程共享?》一文中已经有详细介绍，本文从面试中常问的一些JAVA虚拟机问题出发，主要从

1. 堆空间的内存分配
2. JVM class类加载机制
3. JVM中的GC垃圾回收机制

　　 三个大方面进行详细说明

• 堆空间的内存分配

 　　

　　HotSpot JVM^①把年轻代分为了三部分：1个Eden区和2个Survivor区（分别叫from和to）。默认比例为8：1,为啥默认会是这个比例，接下来我们会聊到。一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区(一些大对象特殊处理),这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中。

　　因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(80%以上)，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

　　附两个分别为堆溢出和栈溢出的代码：

　　堆溢出：

 public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();
        int i=0;
        while(true){
            list.add(new byte[5*1024*1024]);
            System.out.println("分配次数："+(++i));
        }
    }

分配次数：1
分配次数：2
分配次数：3
分配次数：4
分配次数：5
分配次数：6
分配次数：7
分配次数：8
分配次数：9
分配次数：10
分配次数：11
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at com.cnten.bdcloud.device.controller.StackSOFTest.main(StackSOFTest.java:29)

栈溢出：

public class StackSOFTest {
     
    int depth = 0;
 
    public void sofMethod(){
        depth ++ ;
        sofMethod();
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        StackSOFTest test = null;
        try {
            test = new StackSOFTest();
            test.sofMethod();
        } finally {
            System.out.println("递归次数："+test.depth);
        }
    }
    
}

递归次数：6868
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.cnten.bdcloud.device.controller.StackSOFTest.sofMethod(StackSOFTest.java:11)
at com.cnten.bdcloud.device.controller.StackSOFTest.sofMethod(StackSOFTest.java:12)
at com.cnten.bdcloud.device.controller.StackSOFTest.sofMethod(StackSOFTest.java:12)
at com.cnten.bdcloud.device.controller.StackSOFTest.sofMethod(StackSOFTest.java:12)...

 

　　永久代

    指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta（元数据）的信息,Class在被加载的时候被放入永久区域. 它和和存放实例的区域不同,GC不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的Class的增多而胀满，最终抛出OOM异常。

    在Java8中，永久代已经被移除，被一个称为“元数据区”（元空间）的区域所取代。

    元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入 native memory, 字符串池和类的静态变量放入java堆中. 这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制.

    采用元空间而不用永久代的几点原因：（参考：http://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html）

　　1、为了解决永久代的OOM问题，元数据和class对象存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。

　　2、类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出（因为堆空间有限，此消彼长）。

　　3、永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

　　4、Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

•  JVM class类加载机制

　　JVM类加载机制主要采用的是双亲委派模型 　　

双亲委派的工作过程：
　　如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

　　双亲委派机制的最大优点就是使得java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。尤其是保证了基础类的统一性，保证了java程序的稳定运行。

　　用双亲委派模型的好处在于Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存在在rt.jar中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的Bootstrap ClassLoader进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话，如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，程序将混乱。因此，如果开发者尝试编写一个与rt.jar类库中重名的Java类，可以正常编译，但是永远无法被加载运行。

• JVM中的GC垃圾回收机制

将对象按其生命周期的不同划分成：年轻代(Young Generation)、年老代(Old Generation)、持久代(Permanent Generation)。其中持久代主要存放的是类信息，所以与java对象的回收关系不大，与回收息息相关的是年轻代和年老代

年轻代：是所有新对象产生的地方。年轻代被分为3个部分——Enden区和两个Survivor区（From和to）

因为大多数新生代对象都不会熬过第一次 GC。所以没必要 1 : 1 划分空间。可以分一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor。当回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性复制到另一块 Survivor 上，最后清理 Eden 和 Survivor 空间。大小比例一般是 8 : 1 : 1，每次浪费 10% 的 Survivor 空间。但是这里有一个问题就是如果存活的大于 10% 怎么办？这里采用一种分配担保策略：多出来的对象直接进入老年代。

当Eden区被对象填满时，就会执行Minor GC。并把所有存活下来的对象转移到其中一个survivor区（假设为from区）。Minor GC同样会检查存活下来的对象，并把它们转移到另一个survivor区（假设为to区）。这样在一段时间内，总会有一个空的survivor区。经过多次GC周期后，仍然存活下来的对象会被转移到年老代内存空间。通常这是在年轻代有资格提升到年老代前通过设定年龄阈值来完成的。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，from和to是相对的。

年老代：在年轻代中经历了N次回收后仍然没有被清除的对象，就会被放到年老代中，可以说他们都是久经沙场而不亡的一代，都是生命周期较长的对象。对于年老代和永久代，就不能再采用像年轻代中那样搬移腾挪的回收算法，因为那些对于这些回收战场上的老兵来说是小儿科。通常会在老年代内存被占满时将会触发Full GC,回收整个堆内存。 新生代和老年代为 1：2

年轻代：涉及了复制算法（把空间分成两块，每次只对其中一块进行 GC。当这块内存使用完时，就将还存活的对象复制到另一块上面）；年老代：涉及了“标记-整理（Mark-Sweep）”的算法（直接标记清除就可）

　　内存回收之前要做的事情就是判断哪些对象不可用

1. 引用计数法 （难以解决循环引用问题）
2. 可达性分析法（通过一系列的 ‘GC Roots’ 的对象作为起始点，从这些节点出发所走过的路径称为引用链。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的时候说明对象不可用）
   
   （即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“facebook”的，这时候它们暂时出于“缓刑”阶段，一个对象的真正死亡至少要经历两次标记过程：如果对象在进行中可达性分析后发现没有与 GC Roots 相连接的引用链，那他将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选条件是此对象是否有必要执行 finalize() 方法。当对象没有覆盖 finalize() 方法，或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。如果这个对象被判定为有必要执行 finalize() 方法，那么这个对象竟会放置在一个叫做 F-Queue 的队列中，并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的 Finalizer 线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会出发这个方法，并不承诺或等待他运行结束。finalize() 方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后 GC 将对 F-Queue 中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在 finalize() 中成功拯救自己 —— 只要重新与引用链上的任何一个对象简历关联即可。finalize() 方法只会被系统自动调用一次。）

下面四种引用强度一次逐渐减弱

强引用

类似于 Object obj = new Object(); 创建的，只要强引用在就不回收。

软引用

SoftReference 类实现软引用。在系统要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行二次回收。

弱引用

WeakReference 类实现弱引用。对象只能生存到下一次垃圾收集之前。在垃圾收集器工作时，无论内存是否足够都会回收掉只被弱引用关联的对象。

虚引用

PhantomReference 类实现虚引用。无法通过虚引用获取一个对象的实例，为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

 

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注释一：HotSpot历史

SUN的JDK版本从1.3.1开始运用HotSpot虚拟机， 2006年底开源，主要使用C++实现，JNI接口部分用C实现。
HotSpot是较新的Java虚拟机，用来代替JIT(Just in Time)，可以大大提高Java运行的性能。
Java原先是把源代码编译为字节码在虚拟机执行，这样执行速度较慢。而HotSpot将常用的部分代码编译为本地(原生，native)代码，这样显着提高了性能。