JVM 原理｜java知识点

JVM 内存区域

JVM 运行时数据区可以分为线程共享和线程私有两类。

线程共享区域

• 堆（Heap）：存放对象实例，是垃圾收集器管理的主要区域。几乎所有对象实例和数组都在堆上分配内存。
• 方法区 / 元空间（Metaspace）：存放类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。JDK 1.8 之后永久代被元空间替代，元空间使用本地内存（Native Memory），不再受 JVM 堆大小限制。
• 直接内存（Direct Memory）：不属于 JVM 运行时数据区，通过 NIO 的 ByteBuffer.allocateDirect() 分配，由操作系统直接管理。不受 -Xmx 限制，但受物理内存和 MaxDirectMemorySize 约束。

线程私有区域

• 虚拟机栈（VM Stack）：每个方法执行时创建一个栈帧，存放局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法执行完毕后栈帧弹出。线程结束时栈也随之销毁。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：为 Native 方法服务，HotSpot 虚拟机将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
• 程序计数器（Program Counter Register）：记录当前线程正在执行的字节码行号。如果执行的是 Native 方法，则计数器值为空。此区域是唯一不会发生 OutOfMemoryError 的区域。

对象创建与内存布局

对象创建过程

1. 类加载检查：虚拟机遇到 new 指令时，先检查常量池中是否有该类的符号引用，并检查该类是否已加载、解析和初始化。若未加载，则先执行类加载。
2. 分配内存：根据堆是否规整，选择指针碰撞（Bump the Pointer）或空闲列表（Free List）方式分配。堆是否规整取决于垃圾收集器是否带有压缩整理功能。
3. 初始化零值：将分配到的内存空间初始化为零值（不包括对象头），保证对象的实例字段可以在不赋初值的情况下使用。
4. 设置对象头：在对象头中存储哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、类元数据指针等信息。
5. 执行 <init> 方法：执行构造方法，完成对象的初始化。

对象内存布局

对象在堆中的存储布局分为三个部分：

• 对象头（Object Header）：包含 Mark Word（哈希码、GC 分代年龄、锁状态）和类型指针（指向类元数据，JVM 通过此指针确定对象属于哪个类）。
• 实例数据（Instance Data）：对象真正存储的有效信息，即代码中定义的各种类型的字段值。分配顺序受分配策略影响，相同宽度的字段总是被分配到一起。
• 对齐填充（Padding）：HotSpot 要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍，不足时通过填充对齐。

垃圾收集

如何判断对象已死亡

• 引用计数法：给对象添加一个引用计数器，有引用加 1，引用失效减 1。实现简单，但无法解决循环引用问题。JVM 不采用此方法。
• 可达性分析算法：从一组称为 GC Roots 的根对象出发，沿引用链向下搜索。不可达的对象即为可回收对象。JVM 默认使用此算法。

可作为 GC Roots 的对象包括：虚拟机栈中引用的对象、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、本地方法栈中 JNI 引用的对象等。

引用类型

• 强引用（Strong Reference）：最常见的引用，如 Object obj = new Object()。只要强引用存在，垃圾收集器永远不会回收被引用的对象。
• 软引用（Soft Reference）：描述还有用但非必需的对象。在内存溢出之前，会将这些对象列入回收范围进行二次回收。通过 SoftReference 实现。
• 弱引用（Weak Reference）：只能生存到下一次垃圾收集之前。无论内存是否足够，都会回收弱引用关联的对象。通过 WeakReference 实现。
• 虚引用（Phantom Reference）：最弱的引用，无法通过虚引用获取对象实例。唯一目的是在对象被回收时收到一个系统通知。通过 PhantomReference 实现。

垃圾收集算法

• 标记-清除（Mark-Sweep）：先标记可回收对象，再统一清除。缺点是产生大量不连续的内存碎片，且效率不稳定。
• 复制算法（Copying）：将内存分为两块，每次只使用其中一块。存活对象复制到另一块后，清理当前块。实现简单、效率高，但浪费一半内存空间。新生代中 Eden 与 Survivor 的比例默认为 8
  ，通过复制算法实现 Minor GC。
• 标记-整理（Mark-Compact）：标记后将存活对象向一端移动，然后清理边界以外的内存。适用于老年代。
• 分代收集（Generational Collection）：根据对象存活周期将堆分为新生代和老年代。新生代中每次收集有大批对象死去，选用复制算法；老年代中对象存活率高，选用标记-清除或标记-整理算法。

对象晋升与大对象

• 对象在 Eden 区出生，经过一次 Minor GC 后存活并能被 Survivor 容纳，将进入 Survivor 区，对象年龄设为 1。每经过一次 Minor GC 并存活，年龄加 1。
• 当年龄达到阈值（默认 15，可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 设置），对象晋升到老年代。
• 大对象（需要大量连续内存空间的对象，如长字符串和大数组）直接进入老年代，避免在 Eden 和 Survivor 之间来回复制。

类加载机制

类加载过程

类的生命周期包括：加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸载。其中验证、准备、解析统称为连接。

1. 加载：通过类的全限定名获取定义该类的二进制字节流，将其转化为方法区的运行时数据结构，在堆中生成对应的 Class 对象。
2. 验证：确保字节流符合 JVM 规范，包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
3. 准备：为类的静态变量分配内存并设置零值（static final 常量直接赋值）。
4. 解析：将常量池中的符号引用替换为直接引用。
5. 初始化：执行类构造器 <clinit> 方法，即执行静态变量赋值和静态代码块。

类加载器

• Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：加载 JAVA_HOME/lib 下的核心类库，由 C++ 实现，是 JVM 的一部分。没有对应的 Java 类。
• Extension ClassLoader（扩展类加载器）：加载 JAVA_HOME/lib/ext 下的扩展类库。
• Application ClassLoader（应用程序类加载器）：加载用户类路径（ClassPath）上的类，是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型

除了启动类加载器外，每个类加载器都有一个父加载器。当一个类加载器收到类加载请求时，首先不会自己去尝试加载，而是把请求委派给父加载器。只有当父加载器无法完成加载时，子加载器才会尝试自己加载。

双亲委派的优势：

• 保证核心类库不被篡改（如自定义 java.lang.String 不会被加载）
• 避免同一个类被不同的类加载器重复加载
• 保证 Java 程序的稳定运行

自定义类加载器时，遵循双亲委派只需重写 findClass()；要打破双亲委派则需要重写 loadClass() 方法。

常用 JVM 参数