JVM探秘之旅(壹)

本文准备从以下几个方面去讲解JVM：
1）JVM内存结构解析
2）JVM的类加载机制剖析
3）GC垃圾回收机制

JVM内存结构解析

一张图可以看出jvm的内存结构

内存结构1.png

java代码片段

/**
 * @author ：huin
 * @date ：Created in 2019/10/11 10:03
 * @description：jvm分析过程
 */
public class DemoTest {

    public static int compute(){
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a+b)*10;
        return c;
    }
    public static void main(String[] args) {
        int math = compute();
        System.out.println(math);
    }
}

编译3.png

反汇编指令4.png

看着图来分析代码在虚拟机中执行过程：
·1） .java文件经过编译器编译成.class文件，通过类加载子系统加载到运行时数据区，然后java文件中的对象放到堆内存中，类中的常量和静态变量和放入方法区中，数据区中的栈，本地方法栈和程序计数器时线程私有的，堆和方法区 (1.8之后变成了元空间)。
·2）程序中main线程和compute()线程都是在栈内存中，然后把图2的代码先编译成.class文件命令是：javac DemoTest.java,然后用 javap -c DemoTest.class >demoTest.txt 反汇编并追加到txt文件中。
·3）根据JVM指令手册：https://www.jianshu.com/p/d62b9ccb80b6 可以找到对应的指令。
·4） compute()栈帧中的局部变量存变量值，abc，操作数栈式变量之间的运算并压入局部变量表中。
·5）程序执行到方法出口compute()运行完返回出来，然后最终结构在main主线程中打印出来。程序计数器就是程序每执行一步，计数器加1。（程序计数器还可以用作线程之间来回切换的记录，一个线程执行的时候被切换到另外一个线程。当切回来的时候，根据程序计数器的记录能恢复到第一个线程执行到的位置继续执行）最终的结果压入堆中，程序结束。

JVM的类加载过程

1、类加载过程多个java文件经过编译打包生成可运行jar包，最终由java命令运行某个主类的main函数启动程序，这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。注意，jar包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。

类加载到使用整个过程有如下几步：加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

·1)加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件，使用到类时才会加载，例如调用类的main()方法，new对象等等
·2)验证：校验字节码文件的正确性
·3)准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
·4)解析：将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)，这是所谓的静态链接过程(类加载期间完成)，动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用。
·5)初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块

image.png

2、类加载器和双亲委派机制(还有一种是全局委托机制:一个类被委托了，其他与之关联的类都被一个加载器加载)上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器
·启动类加载器(bootstrap classLoader)：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如rt.jar、charsets.jar等
·扩展类加载器(ext classLoader)：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包
·应用程序类加载器(app classLoader)：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类
·自定义加载器(customize classLoader)：负责加载用户自定义路径下的类包

看一个类加载器示例：

/**
 * @author ：huin
 * @date ：Created in 2019/10/12 8:59
 * @description：dd
 */
public class TestJDKClassLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getClass().getName());
    }
}
运行结果：
null //启动类加载器是C++语言实现，所以打印不出来
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

Process finished with exit code 0

双亲委派机制JVM类加载器是有亲子层级结构的，如下图

image.png

这里类加载其实就有一个双亲委派机制，加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类，找不到再委托上层父加载器加载，如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类，则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。比如我们的Math类，最先会找应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载，扩展类加载器再委托启动类加载器，顶层启动类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到Math类，则向下退回加载Math类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加载，在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类，又向下退回Math类的加载请求给应用程序类加载器，应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类，结果找到了就自己加载了。。双亲委派机制说简单点就是，先找父亲加载，不行再由儿子自己加载。

GC垃圾回收机制

GC回收过程：

image.png

1.7 Eden与Survivor区默认8:1:1大量的对象被分配在eden区，eden区满了后会触发minor gc，可能会有99%以上的对象成为垃圾被回收掉，剩余存活的对象会被挪到为空的那块survivor区，下一次eden区满了后又会触发minor gc，把eden区和survivor去垃圾对象回收，把剩余存活的对象一次性挪动到另外一块为空的survivor区，因为新生代的对象都是朝生夕死的，存活时间很短，所以JVM默认的8:1:1的比例是很合适的，让eden区尽量的大，survivor区够用即可JVM默认有这个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy，会导致这个比例自动变化，如果不想这个比例有变化可以设置参数-XX:-UseAdaptiveSizePolicy

image.png

如何判断对象可以被回收

2.1 引用计数法给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器就加1；当引用失效，计数器就减1；任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使用的对象）。
这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。所谓对象之间的相互引用问题，如下面代码所示：除了对象objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

2.2 可达性分析算法这个算法的基本思想就是通过一系列的称为“GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，找到的对象都标记为非垃圾对象，其余未标记的对象都是垃圾对象GC Roots根节点：线程栈的本地变量、静态变量、本地方法栈的变量等等

image.png

垃圾收集器：

image.png