执行Class文件的环境

虚拟机结构

虚拟机是执行Class文件的环境，通过类加载子系统加载进来，其一般包括：运行时数据区域、执行引擎（即时编译器、垃圾回收器）、本地库接口、本地方法库。

Class文件格式

此二进制格式文件独立于特定的硬件与操作系统。

任何语言，只要能被编译成Class文件，就可以被Java虚拟机识别并执行。

每一个Class文件中都对应着唯一的类或者接口的定义信息。包含的信息有：

  • 副、主版本号
  • 常量池计数器、常量池
  • 类和接口层次的访问标志
  • 接口计数器、接口表
  • 字段计数器、字段表
  • 方法计数器、方法表
  • 属性计数器、属性表

总之，通过已定规则，将类或接口的信息转换成Class文件格式。

类的生命周期

一般指：Java文件被加载到Java虚拟机内存中到从内存中卸载的过程。

大致如下：

  • 加载：查找并加载Class文件
  • 链接：包括验证、准备和解析
    验证：确保被导入类型的正确性
    准备：为类的静态字段分配字段，并用默认值初始化这些字段
    解析：虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用
  • 初始化：将类变量出事为正确初始值

类加载子系统

有2种类加载器：系统加载器和自定义加载器。其中，系统加载器包括下面3种：

  • Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）
    C/C++实现，加载指定的JDK的核心类库
  • Extensions ClassLoader（拓展类加载器）
    用于加载Java的拓展类
  • Application ClassLoader（应用程序类加载器）

运行时数据区域

  • 方法区
    线程共有
  • Java堆
    线程共有
  • Java虚拟机栈
    线程私有，有OOM，保存Java程序的栈帧
  • 本地方法栈
    线程私有，有OOM，保存Native程序的栈帧
  • 程序计数器
    线程私有，没有OOM，针对Java程序（Native程序不管）

对象的创建

通过new指令来完成一个对象的创建。有如下操作：

  • 判断对象对应的类是否加载、链接和初始化
  • 分配内存
  • 处理并发安全问题
  • 初始化分配到的内存空间
  • 设置对象头
  • 执行init方法进行初始化

对象的堆内存布局

  • 对象头
    Mark Word、元数据指针
    Mark Word：hash、age（对象的分代年龄）、biased_lock（偏向锁标识位）…
  • 实例数据
  • 对齐填充

oop-klass模型

用来描述Java对象实例的一种模型。

  • OOP（Ordinary Object Pointer）
    指的是普通对象指针，用来表示对象的实例信息。
  • klass
    用来描述元数据

垃圾标记算法

Java中的引用

  • 强引用
    GC时，不回收
  • 软引用
    GC时，不够用才回收
  • 弱引用
    GC时，遇到就回收
  • 虚引用
    GC时，遇到就回收，被回收时会收到一个系统通知。

引用计数法

iOS中Objective-C中使用，不能解决循环引用的问题。

根搜索算法

GC Roots
  • Java栈中引用的对象
  • 本地方法栈中JNI引用的对象
  • 方法区中运行时常量池引用的对象
  • 方法区中静态属性引用的对象
  • 运行中的线程
  • 由引导类加载器加载的对象
  • GC控制的对象

Java对象在虚拟机中的生命周期

  • 创建阶段（Created）
    分配空间——构造对象——构造方法
  • 应用阶段（In Use）
    至少有一个强引用，或者显示的使用软、弱、虚引用
  • 不可见阶段（Invisible）
    在程序中找不到对象的任何强引用。但对象仍可能被特殊的强引用GC Roots持有着，比如对象被贝蒂方法栈中JNI引用或运行中的线程引用等。
  • 不可达阶段（Unreachable）
    在程序中找不到对象的任何强引用，并且垃圾收集器发现对象不可达。
  • 收集阶段（Collected）
    垃圾收集器发现对象不可达，并且一记准备好要对对象的内存空间重新进行分配，如果对象重写了finalize方法，则会调用该方法。
  • 终结阶段（Finalized）
    在对象执行完finalize对象后仍然是不可达状态，或者没有重写此方法，则对象进入终结阶段，并等待被回收。
  • 对象空间重新分配阶段（Deallocated）

垃圾收集算法

标记-清除算法

  • 标记阶段
    标记处可以回收的对象
  • 清除阶段
    回收被标记的对象所占用的空间

缺点：效率低、易碎片。

复制算法

将内存空间分为2部分，每次只使用其中一个区域，在回收时，遍历当前使用区域，将存活的对象复制到另一个区域，然后将当前可回收对象进行回收。

缺点：利用率低。

标记-压缩算法

在标记可回收的对象后将所有存活的对象压缩到内存的一端，是它们紧凑地排列在一起，然后对边界以外的内存进行回收。

分代收集算法

对不同生命周期的对象采取不同的收集策略，根据生命周期长短将它们分别放到不同的区域，并在不同区域采用不同的收集算法。

Java堆区基于分代的概念，分为新生代与老年代，其中新生代还可以细分为Eden空间、From Survivor空间和To Survivor空间。

分代收集
  • Minor Collection：新生代垃圾回收
    当执行一次Minor Collection时，Eden空间的存活对象会被复制到To Survivor空间，在From Survivor空间存活的对象也会被复制到To Survivor空间。
    当对象存活年龄（经历一次GC涨一岁）超过阈值（-XX:MaxTenuringThreeshold）、To Survivor空间已满，则直接复制到老生代（晋级成功）。
    此时，Eden空间与From Survivor空间都会被清空，新生代的对象都在To Survivor空间中。
    最后，From Survivor空间与To Survivor空间互换位置，以确保To Survivor空间是空的。
  • Full Collection：老年代垃圾收回
    老生代会采用标记-压缩算法或标记-清除算法。