Java内存模型
Java内存区域
- 程序计数器 - 记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址（如果正在执行的是本地方法则为空）。
- Java虚拟机栈 - 每个 Java 方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
本地方法栈 - 本地方法栈与 Java 虚拟机栈类似，它们之间的区别只不过是本地方法栈为本地方法服务。本地方法一般是用其它语言（C、C++ 或汇编语言等）编写的，并且被编译为基于本机硬件和操作系统的程序，对待这些方法需要特别处理。
堆
所有对象都在这里分配内存，是垃圾收集的主要区域（”GC 堆”）。
现代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，其主要的思想是针对不同类型的对象采取不同的垃圾回收算法。可以将堆分成两块：- 新生代（Young Generation）
- 老年代（Old Generation）
用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
方法区
绑定
垃圾回收机制
确定“垃圾”对象
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。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。
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，节点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话，则证明此对象是不可用的。 
可作为 GC Roots 的对象包括下面几种:
- 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
- 本地方法栈(Native 方法)中引用的对象
- 方法区中类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
引用类型
1．强引用（StrongReference）
以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。
2．软引用（SoftReference）
如果一个对象只具有软引用，那就类似于可有可无的生活用品。如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。
软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，JAVA 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。
3．弱引用（WeakReference）
如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可无的生活用品。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。
弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。
4．虚引用（PhantomReference）
“虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。
垃圾收集算法
标记-清除算法
该算法分为“标记”和“清除”阶段：首先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题：
- 标记和清除过程效率都不高
- 会产生大量不连续的内存碎片，导致无法给大对象分配内存。
标记-复制算法
为了解决效率问题，“标记-复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。
标记-整理算法
根据老年代的特点提出的一种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
分代收集算法
当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 java 堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。
比如在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以可以选择”标记-复制“算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。
GC分类
针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 其实准确分类只有两大种：
部分收集 (Partial GC)：
- 新生代收集（Minor GC / Young GC）：只对新生代进行垃圾收集；
- 老年代收集（Major GC / Old GC）：只对老年代进行垃圾收集。需要注意的是 Major GC 在有的语境中也用于指代整堆收集；
- 混合收集（Mixed GC）：对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集。
整堆收集 (Full GC)：收集整个 Java 堆和方法区。
垃圾回收器
【jdk1.8默认垃圾收集器为：ParNew Scavenge收集器（新生代） + Parallel Old 收集器（老年代）】
Serial收集器 ： 单线程 复制算法，简单高效 最古老的收集器
ParNew收集器 ：多线程 复制算法，算是Serial的多线程版本
Parallel Scavenge收集器 ： Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量（高效率的利用 CPU）。
Serial Old 收集器 ： Serial 收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器。
Parallel Old 收集器 ： Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。使用多线程和“标记-整理”算法。在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。
CMS 收集器
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用。
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。
1.初始标记： 暂停所有的其他线程，并记录下直接与 root 相连的对象，速度很快 ；
2.并发标记： 同时开启 GC 和用户线程，用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束，这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为用户线程可能会不断的更新引用域，所以 GC 线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
3.重新标记： 重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短
4.并发清除： 开启用户线程，同时 GC 线程开始对未标记的区域做清扫。
从它的名字就可以看出它是一款优秀的垃圾收集器，主要优点：并发收集、低停顿。但是它有下面三个明显的缺点：
对 CPU 资源敏感；
无法处理浮动垃圾；
它使用的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生。
G1 收集器
G1（Garbage-First），它是一款面向服务端应用的垃圾收集器，在多 CPU 和大内存的场景下有很好的性能。
G1 把堆划分成多个大小相等的独立区域（Region），新生代和老年代不再物理隔离。
每个 Region 都有一个 Remembered Set，用来记录该 Region 对象的引用对象所在的 Region。通过使用 Remembered Set，在做可达性分析的时候就可以避免全堆扫描。
1.初始标记STW
2.并发标记
3.最终标记STW：为了修正在并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程的 Remembered Set Logs 里面，最终标记阶段需要把 Remembered Set Logs 的数据合并到 Remembered Set 中。这阶段需要停顿线程，但是可并行执行。
4.筛选回收（STW）：G1会根据用户规定的停顿时间，最大的回收region，将需要被回收的region复制到空白region中，再将原region全部回收。该步骤也需要STW，因为涉及到了对象的移动（一个region到另一个region）。
- remembered set
在gc时，其它不会被回收的region中的引用也可以作为gc roots(root set)的一部分。比如
如果不用rst的话，进行young gc时需要扫描整个老年代进行可达性分析(因为老年代中对应的region不需要回收，可以作为gc roots 的一部分)
如果用rst的话，由于当前region的rst维护了其它region（这里指的是老年代中对应的region）对于当前region的引用信息，所以不必扫描整个老年代。 因为老年代相对年轻代较大，也可以理解为 “整个堆”。总体就是空间换时间的思路
类加载过程
加载
类加载过程的第一步，主要完成下面3件事情：
- 通过全类名获取定义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结构
- 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象,作为方法区这些数据的访问入口
虚拟机规范上面这3点并不具体，因此是非常灵活的。比如：”通过全类名获取定义此类的二进制字节流” 并没有指明具体从哪里获取、怎样获取。比如：比较常见的就是从 ZIP 包中读取（日后出现的JAR、EAR、WAR格式的基础）、其他文件生成（典型应用就是JSP）等等。
一个非数组类的加载阶段（加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，这一步我们可以去完成还可以自定义类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的 loadClass() 方法）。数组类型不通过类加载器创建，它由 Java 虚拟机直接创建。
类加载器、双亲委派模型也是非常重要的知识点，这部分内容会在后面的文章中单独介绍到。
加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未结束，连接阶段可能就已经开始了。
连接
连接阶段又分为 验证、准备、解析三个子步骤。
验证
准备
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：
- 这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。
- 这里所设置的初始值”通常情况”下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），比如我们定义了
public static int value=111，那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是111（初始化阶段才会赋值）。特殊情况：比如给 value 变量加上了 fianl 关键字public static final int value=111，那么准备阶段 value 的值就被赋值为 111。
基本数据类型的零值：
解析
解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。
符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。在程序实际运行时，只有符号引用是不够的，举个例子：在程序执行方法时，系统需要明确知道这个方法所在的位置。Java 虚拟机为每个类都准备了一张方法表来存放类中所有的方法。当需要调用一个类的方法的时候，只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法了。通过解析操作符号引用就可以直接转变为目标方法在类中方法表的位置，从而使得方法可以被调用。
综上，解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量。
初始化
初始化是类加载的最后一步，也是真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码)，初始化阶段是执行初始化方法 <clinit> ()方法的过程。
对于<clinit>（） 方法的调用，虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为 <clinit>（） 方法是带锁线程安全，所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起死锁，并且这种死锁很难被发现。
对于初始化阶段，虚拟机严格规范了有且只有5种情况下，必须对类进行初始化(只有主动去使用类才会初始化类)：
- 当遇到 new 、 getstatic、putstatic或invokestatic 这4条直接码指令时，比如 new 一个类，读取一个静态字段(未被 final 修饰)、或调用一个类的静态方法时。
- 当jvm执行new指令时会初始化类。即当程序创建一个类的实例对象。
- 当jvm执行getstatic指令时会初始化类。即程序访问类的静态变量(不是静态常量，常量会被加载到运行时常量池)。
- 当jvm执行putstatic指令时会初始化类。即程序给类的静态变量赋值。
- 当jvm执行invokestatic指令时会初始化类。即程序调用类的静态方法。
- 使用
java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时如Class.forname(“…”),newInstance()等等。 ，如果类没初始化，需要触发其初始化。 - 初始化一个类，如果其父类还未初始化，则先触发该父类的初始化。
- 当虚拟机启动时，用户需要定义一个要执行的主类 (包含 main 方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类。
- MethodHandle和VarHandle可以看作是轻量级的反射调用机制，而要想使用这2个调用， 就必须先使用findStaticVarHandle来初始化要调用的类。
卸载
卸载类即该类的Class对象被GC。
卸载类需要满足3个要求:
- 该类的所有的实例对象都已被GC，也就是说堆不存在该类的实例对象。
- 该类没有在其他任何地方被引用
- 该类的类加载器的实例已被GC
所以，在JVM生命周期类，由jvm自带的类加载器加载的类是不会被卸载的。但是由我们自定义的类加载器加载的类是可能被卸载的。
只要想通一点就好了，jdk自带的BootstrapClassLoader,ExtClassLoader,AppClassLoader负责加载jdk提供的类，所以它们(类加载器的实例)肯定不会被回收。而我们自定义的类加载器的实例是可以被回收的，所以使用我们自定义加载器加载的类是可以被卸载掉的。
双亲委派模型
双亲委派模式要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器，请注意双亲委派模式中的父子关系并非通常所说的类继承关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码，类加载器间的关系如下：
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器负责将存放在
\lib 目录中的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如 rt.jar，名字不符合的类库即使放在 lib 目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被 Java 程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给启动类加载器，直接使用 null 代替即可。 - 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个类加载器是由 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将
/lib/ext 或者被 java.ext.dir 系统变量所指定路径中的所有类库加载到内存中，开发者可以直接使用扩展类加载器。 - 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器是由 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值，因此一般称为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
双亲委派模式是在Java 1.2后引入的，其工作原理的是，如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式
双亲委派模式优势
- 采用双亲委派模式的是好处是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，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
- 其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
自定义 java.lang.xxx 类 :
- java.lang.Math 直接使用，会使用系统类，由启动类加载器加载。
- java.lang.MyMath 直接使用，报错，包名禁止使用 Java开头
- 不能自己写以”java.”开头的类，其要么不能加载进内存，要么即使你用自定义的类加载器去强行加载，也会收到一个SecurityException。
双亲委派机制的破坏
自定义加载器的话，需要继承 ClassLoader 。如果我们不想打破双亲委派模型，就重写 ClassLoader 类中的 findClass() 方法即可，无法被父类加载器加载的类最终会通过这个方法被加载。但是，如果想打破双亲委派模型则需要重写 loadClass() 方法
类文件结构
2.1 魔数 cafebabe 16进制
2.2 Class 文件版本 52 jdk8
2.3 常量池
2.4 访问标志
2.5 当前类索引,父类索引与接口索引集合
2.6 字段表集合
字段表（field info）用于描述接口或类中声明的变量。字段包括类级变量以及实例变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。
2.7 方法表集合
构造方法、其他方法
2.8 属性表集合
在 Class 文件，字段表，方法表中都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。与 Class 文件中其它的数据项目要求的顺序、长度和内容不同，属性表集合的限制稍微宽松一些，不再要求各个属性表具有严格的顺序，并且只要不与已有的属性名重复，任何人实现的编译器都可以向属性表中写 入自己定义的属性信息，Java 虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。
对象创建过程
 
Step1:类加载检查
虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
Step2:分配内存
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
内存分配的两种方式：
选择以上两种方式中的哪一种，取决于 Java 堆内存是否规整。而 Java 堆内存是否规整，取决于 GC 收集器的算法是”标记-清除”，还是”标记-整理”（也称作”标记-压缩”），值得注意的是，复制算法内存也是规整的
内存分配并发问题（补充内容，需要掌握）
在创建对象的时候有一个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：
CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
TLAB： 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存，JVM 在给线程中的对象分配内存时，首先在 TLAB 分配，当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时，再采用上述的 CAS 进行内存分配
Step3: 初始化零值
内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
Step4: 设置对象头
初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能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。 这些信息存放在对象头中。 另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
Step5:执行 init 方法
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始， 方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。
对象文件结构
-
对象头
- markword
第一部分markword,用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“MarkWord”。
- klass
对象头的另外一部分是klass类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例. - 数组长度（只有数组对象有）
如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度.实例数据
实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。对齐填充
第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
- markword
调优参数
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