4.1 内存区域

线程私有

  • 程序计数器：可以看做当前线程所执行的字节码的行号指示器，每个线程都有一个独立的程序计数器。JVM通过改变程序计数器依次读取指令，在多线程情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置。
  • 虚拟机栈：线程私有，生命周期和线程相同，除了Native方法外，其他所有Java方法的调用都是通过栈实现的。方法嗲用的数据需要通过栈进行传递，每次方法调用会有一个对应的栈帧被压入栈中，结束调用则弹出。
    • 栈帧内部有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。
    • 局部变量表：存放编译期间可知的各种数据类型、对象引用。
    • 操作数栈：主要作为方法调用的中转站，存放方法执行过程中的中间计算结果。
    • 动态链接：主要服务一个方法需要调用其他方法的场景。
  • 本地方法栈：为虚拟机使用到的Native方法服务，在HotSpot虚拟机中，和Java虚拟机栈合二为一。
  • StackOverFlowError：如果栈的内存不允许动态扩张，那么当线程请求栈的深度超过虚拟机栈的最大深度，则会报出此错误。
  • OutOfMemoryError：如果栈的内存可以动态扩张，如果虚拟机在动态扩张栈时无法申请到足够的内存空间，则报出此错误。

线程共享

  • 堆：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在此分配内存。垃圾收集器管理的主要区域，也被称为GC堆。
    • 字符串常量池：是 JVM 为了提升性能和减少内存消耗针对字符串（String 类）专门开辟的一块区域，主要目的是为了避免字符串的重复创建。
  • 方法区：方法区会存储已经被JVM加载的类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。（永久代和元空间实际上是方法区的具体实现，JDK1.8之前是永久代，而之后是元空间，永久代受到JVM内存的上限，而元空间受到本机可用内存限制，相对来说溢出可能性变小，并且永久代会给GC带来不必要的复杂度）
    • 运行时常量池：Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有存放编译期生成的各种字面量和符号引用的常量池表。常量池表户会在类加载后放到方法区的运行时常量池中。
  • 直接内存（非运行时数据区的一部分）：直接内存是一种特殊的内存缓冲区，并不在 Java 堆或方法区中分配的，而是通过 JNI 的方式在本地内存上分配的。

4.2 垃圾回收

  • 新生代内存（Eden， S0， S1）
  • 老生代内存（Tenured）
  • 永久代内存（PermGen[JDK1.7]，MetaSpace[JDK1.8]）

4.2.1 内存分配和回收原则

内存分配

  • 对象优先在Eden区分配内存
  • 大对象直接进入老年代
  • 长期存活对象进入老年代（经历过一次GC后仍然存活，如果能被Survivor空间收纳，则进入s0或s1，并将对象年龄设置为1，之后每经历一次GC，年龄+1，默认到达15岁后进入老年代）【HotSpot虚拟机对对象按照年龄从小到大累计内存，当内存大小超过Survivor区一半时，重新设置晋升老年代年龄阈值为当前年龄和阈值年龄中的较小值】

回收原则

  • 部分收集：
    • 新生代收集：只对新生代进行收集
    • 老年代收集：只对老年代收集
    • 混合收集：对整个新生代和部分老年代进行收集
  • 整堆收集：收集整个Java堆和方法区

4.2.2 空间分配担保

为了确保Minor GC之前老年代本身还有容纳新生代所有对象的剩余空间。

发生Minor GC之前，JVM判断老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间，如果成立则证明Minor GC是安全的，否则查看是否允许担保失败的参数，如果允许，则检查老年代连续空间是否大于历次晋升到老年代的平均大小，如果大于则进行Minor GC，否则改为Full GC。

4.2.3 死亡对象判断方法

  • 引用计数法（难以解决循环引用问题）
  • 可达性分析算法：
    • GC ROOT：JVM虚拟机栈（局部变量表）中引用的对象、本地方法栈中引用的对象、方法区中静态属性引用的对象、方法区中常量引用的对象，所有被同步锁持有的对象，被JNI引用的对象。
    • 对象可回收不一定会被回收，第一次会被标记，被标记的对象会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上任何一个对象建立链接，否则就会被回收。
    • 引用类型：
      • 强引用：具有强引用的对象不会被回收
      • 软引用：只具有软引用的对象如果内存空间不足，则会被回收
      • 弱引用：只有弱引用的对象，一旦被发现，则会回收
      • 虚引用：不会决定是否被回收，主要用于跟踪对象被垃圾回收的活动

4.2.4 垃圾收集算法

  • 标记-清楚算法：效率不高，会有内存碎片
  • 标记-复制算法：内存缩小为一般，如果存活对象过大，复制性能会变差，不适合老年代
  • 标记-整理算法：标记后，让所有对象移动到一端。
  • 分带收集算法：新生代采用“标记-复制算法”，老年代采用“标记-清楚算法”或“标记-整理算法”

4.2.5 垃圾收集器

  • Serial收集器
  • ParNew收集器
  • Parallel Scavenge收集器
  • Serial Old收集器
  • Parallel Old收集器
  • CMS收集器
  • G1收集器
  • ZGC收集器

4.3 类加载

  • 加载（通过类名获取此类的二进制字节流，将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据，内存中生成一个代表该类的Class对象，作为方法区数据的访问入口）【由类加载器完成】
  • 验证（确保Class文件的字节流包含的信息符合约束）
  • 准备（为类变量分配内存并设置变量初始值）
  • 解析（将常量池内的符号引用替换为直接引用）
  • 初始化（执行clinit）
  • 卸载（所有实例对象被GC，没有任何地方被引用，该类的类加载器已被GC后，类会才可能被卸载）

4.3.1 类加载器

用于加载Java类的字节码

JVM内置BootstrapClassLoader（启动类加载器，没有父级，由C++实现）、ExtensionClassLoader（扩展类加载器）和AppClassLoader（应用程序类及载器，面向用户的加载器）

双亲委派机制，打破双亲委派机制可以通过重写loadClass实现。

4.4 对象创建

  1. 类加载检查：在常量池中检查能否找到该类的符号引用，并且检查该符号引用代表的类是否被加载过、解析和初始化过。如果没有则进行类加载过程。
  2. 分配内存：
    • 指针碰撞：堆内存规整的情况下，移动分解指针，分配对象内存
    • 空闲列表：堆内存不规整的情况下，JVM维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，分配时找一块足够大的内存进行分配。
  3. 初始化零值，保证对象的实例字段在Java代码中不赋初始值就可以直接使用（不包括对象头）。
  4. 初始化对象头：JVM对对象机械能必要设置，比如对象是哪个类的实例，如何找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。
  5. 执行init方法。