前言

了解JVM是對Java程序員的基本要求尝抖，但是有多少同學(xué)和我有一樣醉心解bug堆布局，忘記了內(nèi)功修煉，對JVM的理解是零碎的煎楣。系統(tǒng)地學(xué)習(xí)一次JVM也許能讓我們在這條路走得更好更遠(yuǎn)岂昭。

了解Java虛擬機(jī)家族

我們可以把Java程序設(shè)計語言以现、Java虛擬機(jī)、Java類庫這三部分統(tǒng)稱為JDK（Java Development
Kit）约啊，JDK是用于支持Java程序開發(fā)的最小環(huán)境邑遏。

JVM 是 JDK 的一部分，《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》(The Java Virtual Machine Specification) 是平行于《Java 語言規(guī)范》(The Java Language Specification)的一套獨立的規(guī)范恰矩，不同的公司對其有不同的實現(xiàn) (類似于一個接口被不同的類實現(xiàn))记盒。

虛擬機(jī)始祖：Sun Classic/Exact VM

• 世界上第一款商用Java虛擬機(jī)
• 在JDK 1.2之前是JDK中唯一的虛擬機(jī)
• JDK 1.4的時候，Classic VM才完全退出商用虛擬機(jī)的歷史舞臺被HotSpot取代

武林盟主：HotSpot VM

• 是Sun/OracleJDK和OpenJDK中的默認(rèn)Java虛擬機(jī)外傅，也是目前使用范圍最廣的Java虛擬機(jī)
• 如它名稱中的HotSpot指的就是它的熱點代碼探測技術(shù)
• 為全世界使用最廣泛的Java虛擬機(jī)

小家碧玉：Mobile/Embedded VM

• 面對移動和嵌入式市場纪吮，Java ME中的Java虛擬機(jī)

天下第二：BEA JRockit/IBM J9 VM

• JRockit虛擬機(jī)曾經(jīng)號稱是“世界上速度最快的Java虛擬機(jī)”,是一款一款專門為服務(wù)器硬件和服務(wù)端應(yīng)用場景高度優(yōu)化的虛擬機(jī)。JRockit隨著BEA被Oracle收購萎胰，現(xiàn)已不再繼續(xù)發(fā)展
• IBM J9虛擬機(jī)的市場定位與HotSpot比較接近碾盟，它是一款在設(shè)計上全面考慮服務(wù)端、桌面應(yīng)用技竟，再到嵌入式的多用途虛擬機(jī)

軟硬合璧：BEA Liquid VM/Azul VM

• 與特定硬件平臺綁定冰肴、軟硬件配合工作的專有虛擬機(jī)

挑戰(zhàn)者：Apache Harmony/Google Android Dalvik VM

• Apache Harmony是一個Apache軟件基金會旗下以Apache License協(xié)議開源的實際兼容于JDK 5和JDK 6的Java程序運(yùn)行平臺，它含有自己的虛擬機(jī)和Java類庫API榔组，用戶可以在上面運(yùn)行Eclipse熙尉、Tomcat、Maven等常用的Java程序瓷患。
• Dalvik虛擬機(jī)并不是一個Java虛擬機(jī)骡尽，它沒有遵循《Java虛擬機(jī)規(guī)范》，不能直接執(zhí)行Java的Class文件擅编，使用寄存器架構(gòu)而不是Java虛擬機(jī)中常見的棧架構(gòu)攀细。但是它與Java卻又有著千絲萬縷的聯(lián)系，它執(zhí)行的DEX（Dalvik Executable）文件可以通過Class文件轉(zhuǎn)化而來爱态，使用Java語法編寫應(yīng)用程序谭贪，可以直接使用絕大部分的Java API等。

Java內(nèi)存區(qū)域劃分與OutOfMemory

根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的規(guī)定锦担，Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會包括以下幾個運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域：

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程序計數(shù)器

• 是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器
• 線程私有： 每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器俭识，各條線程之間計數(shù)器互不影響，獨立存儲
• 如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法洞渔，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址套媚；如果正在執(zhí)行的是本地（Native）方法缚态，這個計數(shù)器值則應(yīng)為空（Undefined）
• 沒有OutOfMemory

Java虛擬機(jī)棧

• 線程私有
• 虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的線程內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)行的時候，Java虛擬機(jī)都會同步創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表堤瘤、操作數(shù)棧玫芦、動態(tài)連接、方法出口等信息本辐。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完畢的過程桥帆，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程

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• 局部變量表存放了編譯期可知的各種Java虛擬機(jī)基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte慎皱、char老虫、short、int茫多、float祈匙、long、double）天揖、對象引用（reference類型菊卷，它并不等同于對象本身，可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槺ζ剩部赡苁侵赶蛞粋€代表對象的句柄或者其他與此對象相關(guān)的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）
• 在《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中，對這個內(nèi)存區(qū)域規(guī)定了兩類異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度歉甚，將拋出StackOverflowError異常万细；如果Java虛擬機(jī)棧容量可以動態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)棧擴(kuò)展時無法申請到足夠的內(nèi)存會拋出OutOfMemoryError異常

本地方法棧

• 與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用相似纸泄，為虛擬機(jī)使用到的本地方法服務(wù)

Java堆

• 是虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊
• 所有的對象實例以及數(shù)組都應(yīng)當(dāng)在堆上分配
• Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域
• 所有線程共享的Java堆中可以劃分出多個線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer赖钞，TLAB）Java堆內(nèi)存是線程共享的！面試官：你確定嗎聘裁？
• Java堆既可以被實現(xiàn)成固定大小的雪营，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的Java虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實現(xiàn)的（通過參數(shù)-Xmx和-Xms設(shè)定）衡便。如果在Java堆中沒有內(nèi)存完成實例分配献起，并且堆也無法再擴(kuò)展時，Java虛擬機(jī)將會拋出OutOfMemoryError異常镣陕。

方法區(qū)

• 與Java堆一樣谴餐，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域
• 它用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類型信息、常量呆抑、靜態(tài)變量岂嗓、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)
• 在JDK 8完全廢棄了永久代的概念，改用元空間來代替鹊碍。
• 運(yùn)行時常量池是方法區(qū)的一部分厌殉。Class文件中除了有類的版本食绿、字段、方法公罕、接口等描述信息外器紧，還有一項信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量與符號引用熏兄，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時常量池中
• 運(yùn)行期間也可以將新的常量放入池：比如String類的intern()方法
• 如果方法區(qū)無法滿足新的內(nèi)存分配需求時品洛，將拋出OutOfMemoryError異常。

直接內(nèi)存

• 并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分摩桶，也不是《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中定義的內(nèi)存區(qū)域
• 在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類桥状，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存硝清，然后通過一個存儲在Java堆里面的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作辅斟。
• 會受到本機(jī)總內(nèi)存（包括物理內(nèi)存、SWAP分區(qū)或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制芦拿，而導(dǎo)致動態(tài)擴(kuò)展時出現(xiàn)OutOfMemoryError異常

Hotspot虛擬機(jī)對象

對象的創(chuàng)建

1. 當(dāng)Java虛擬機(jī)遇到一條字節(jié)碼new指令時士飒，檢查是否類已加載、解析蔗崎、初始化酵幕，如果沒有，則進(jìn)行類加載
2. 在類加載檢查通過后缓苛，接下來虛擬機(jī)將為新生對象分配內(nèi)存芳撒。
3. 線程安全解決方案：1、CAS+失敗重試保證更新操作的原子性 2未桥、TLAB把內(nèi)存分配的動作按照線程劃分在不同的空間進(jìn)行
4. 內(nèi)存分配完成之后笔刹，虛擬機(jī)必須將分配到的內(nèi)存空間（但不包括對象頭）都初始化為零值
5. 接下來，Java虛擬機(jī)還要對對象進(jìn)行必要的設(shè)置冬耿，例如這個對象是哪個類的實例舌菜、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對象的哈希碼（實際上對象的哈希碼會延后到真正調(diào)用Object::hashCode()方法時才計算）亦镶、對象的GC分代年齡等信息日月。這些信息存放在對象的對象頭（Object Header）之中。根據(jù)虛擬機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的不同缤骨，如是否啟用偏向鎖等山孔，對象頭會有不同的設(shè)置方式。
6. new指令之后會接著執(zhí)行<init>()方法荷憋，按照程序員的意愿對對象進(jìn)行初始化台颠，這樣一個真正可用的對象才算完全被構(gòu)造出來

對象的內(nèi)存布局

• 在堆內(nèi)存中的存儲布局可以劃分為三個部分：對象頭（Header）、實例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對齊填充（Padding）
• 對象頭包括：對象自身的運(yùn)行時數(shù)據(jù)（Mark Word），所屬類類指針串前，數(shù)組長度（如果是數(shù)組對象）

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對象的訪問定位

• Java程序會通過棧上的reference數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象瘫里。
• 對象訪問方式也是由虛擬機(jī)實現(xiàn)而定的，主流的訪問方式主要有使用句柄和直接指針兩種

垃圾收集(GC)

對象的死亡

引用計數(shù)法

• 在對象中添加一個引用計數(shù)器荡碾，每當(dāng)有一個地方引用它時谨读，計數(shù)器值就加一；當(dāng)引用失效時坛吁，計數(shù)器值就減一劳殖；任何時刻計數(shù)器為零的對象就是不可能再被使用的。
• 互相循環(huán)引用的對象無法被回收

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可達(dá)性分析法

• 通過一系列稱為“GC Roots”的根對象作為起始節(jié)點集拨脉，從這些節(jié)點開始哆姻，根據(jù)引用關(guān)系向下搜索，搜索過程所走過的路徑稱為“引用鏈”（Reference Chain）玫膀，如果某個對象到GC Roots間沒有任何引用鏈相連矛缨，或者用圖論的話來說就是從GC Roots到這個對象不可達(dá)時，則證明此對象是不可能再被使用的

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• 可作為GC Roots的對象：

1. 虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
2. 在方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象
3. 方法區(qū)中常量引用的對象
4. 在本地方法棧中JNI（即通常所說的Native方法）引用的對象
5. Java虛擬機(jī)內(nèi)部的引用帖旨，如基本數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的Class對象箕昭，一些常駐的異常對象（比如NullPointExcepiton、OutOfMemoryError）等解阅，還有系統(tǒng)類加載器
6. 所有被同步鎖（synchronized關(guān)鍵字）持有的對象
7. 反映Java虛擬機(jī)內(nèi)部情況的JMXBean落竹、JVMTI中注冊的回調(diào)、本地代碼緩存等

四種引用

• 強(qiáng)引用（Strongly Re-ference）：無論任何情況下货抄，只要強(qiáng)引用關(guān)系還存在筋量，垃圾收集器就永遠(yuǎn)不會回收掉被引用的對象
• 軟引用（Soft Reference）：只被軟引用關(guān)聯(lián)著的對象，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常前碉熄，會把這些對象列進(jìn)回收范圍之中進(jìn)行第二次回收，如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存肋拔，才會拋出內(nèi)存溢出異常
• 弱引用（Weak Reference）：當(dāng)垃圾收集器開始工作锈津，無論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象
• 虛引用（Phantom Reference）：為一個對象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的只是為了能在這個對象被收集器回收時收到一個系統(tǒng)通知（ 虛引用必須與ReferenceQueue一起使用凉蜂，當(dāng)GC準(zhǔn)備回收一個對象琼梆，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會在回收之前窿吩，把這個虛引用加入到與之關(guān)聯(lián)的ReferenceQueue中）

宣告對象死亡

• 要真正宣告一個對象死亡茎杂，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程
• 首先對象不可達(dá)，它將會被第一次標(biāo)記纫雁，隨后進(jìn)行一次篩選煌往，篩選的條件是此對象是否有必要執(zhí)行finalize()方法。
• 如果這個對象被判定為確有必要執(zhí)行finalize()方法，那么該對象將會被放置在一個名為F-Queue的隊列之中刽脖，并在稍后由一條由虛擬機(jī)自動建立的羞海、低調(diào)度優(yōu)先級的Finalizer線程去執(zhí)行它們的finalize()方法。
• 如果對象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新與引用鏈上的任何一個對象建立關(guān)聯(lián)即可
• 如果第二次標(biāo)記時對象沒有逃脫曲管，那基本上它就真的要被回收了

垃圾收集算法

標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep）

• 首先標(biāo)記出所有需要回收的對象却邓，在標(biāo)記完成后，統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記的對象院水，也可以反過來腊徙，標(biāo)記存活的對象，統(tǒng)一回收所有未被標(biāo)記的對象檬某。
• 缺點：1撬腾、執(zhí)行效率不穩(wěn)定 2、 是內(nèi)存空間的碎片化問題

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標(biāo)記-復(fù)制算法（Semispace Copying）

• 將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊橙喘，每次只使用其中的一塊时鸵。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面厅瞎，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉饰潜。解決內(nèi)存碎片化問題。
• 缺點：空間浪費

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標(biāo)記-整理算法

• 標(biāo)記過程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣和簸，然后讓所有存活的對象都向內(nèi)存空間一端移動彭雾，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存。
• 這種對象移動操作必須全程暫停用戶應(yīng)用程序才能進(jìn)行锁保，被最初的虛擬機(jī)設(shè)計者形象地描述為“Stop The World”

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分代收集

在Java堆劃分出不同的區(qū)域之后薯酝，垃圾收集器才可以每次只回收其中某一個或者某些部分的區(qū)域
——因而才有了“Minor GC”“Major GC”“Full GC”這樣的回收類型的劃分；也才能夠針對不同的區(qū)域安排與里面存儲對象存亡特征相匹配的垃圾收集算法爽柒。

• 新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目標(biāo)只是新生代的垃圾收集吴菠。
• 老年代收集（Major GC/Old GC）：指目標(biāo)只是老年代的垃圾收集。
• 混合收集（Mixed GC）：指目標(biāo)是收集整個新生代以及部分老年代的垃圾收集浩村。目前只有G1收集器會有這種行為做葵。
• 整堆收集（Full GC）：收集整個Java堆和方法區(qū)的垃圾收集

Hotspot虛擬機(jī) 堆內(nèi)存劃分

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內(nèi)存分配與回收策略

• 對象優(yōu)先在Eden分配：大多數(shù)情況下，對象在新生代Eden區(qū)中分配心墅。當(dāng)Eden區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時酿矢，虛擬機(jī)將發(fā)起一次Minor GC
• 大對象直接進(jìn)入老年代：大對象就是指需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的Java對象，最典型的大對象便是那種很長的字符串怎燥，或者元素數(shù)量很龐大的數(shù)組
• 長期存活的對象將進(jìn)入老年代：虛擬機(jī)給每個對象定義了一個對象年齡（Age）計數(shù)器瘫筐，存儲在對象頭中。對象通常在Eden區(qū)里誕生铐姚，如果經(jīng)過第一次Minor GC后仍然存活策肝，并且能被Survivor容納的話，該對象會被移動到Survivor空間中，并且將其對象年齡設(shè)為1歲驳糯。對象在Survivor區(qū)中每熬過一次Minor GC篇梭，年齡就增加1歲，當(dāng)它的年齡增加到一定程度（默認(rèn)為15）酝枢，就會被晉升到老年代中
• 動態(tài)對象年齡判定：如果在Survivor空間中相同年齡所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半恬偷，年齡大于或等于該年齡的對象就可以直接進(jìn)入老年代
• 空間分配擔(dān)保：當(dāng) Survivor 空間不足以容納一次 Minor GC 之后存活的對象時，就需要依賴其他內(nèi)存區(qū)域 (實際上大多數(shù)情況下就是老年代) 進(jìn)行分配擔(dān)保帘睦。在發(fā)生 Minor GC 之前袍患，虛擬機(jī)必須先檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于新生代所有對象總空間，如果這個條件成立竣付，那這一次 Minor GC 可以確保是安全的诡延。如果不成立，則虛擬機(jī)會先查看 - XX:HandlePromotionFailure 參數(shù)的設(shè)置值是否允許擔(dān)保失敗 (Handle Promotion Failure)古胆；如果允許肆良，那會繼續(xù)檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于歷次晉升到老年代對象的平均大小，如果大于逸绎，將嘗試進(jìn)行一次 Minor GC惹恃，盡管這次 Minor GC 是有風(fēng)險的；如果小于棺牧，或者-XX: HandlePromotionFailure設(shè)置不允許冒險巫糙，那這時就要改為進(jìn)行一次 Full GC。

參考資料：

《深入理解JAVA虛擬機(jī)》1-3章

Java 虛擬機(jī)系列二：垃圾收集機(jī)制詳解颊乘，動圖幫你理解