基础知识

字节码文件

1. 常量池

2. 字段

3. 方法

类加载器

类加载器分类

1. 启动类加载器 Bootstrap ClassLoader（c++）或者 BootClassLoader（java） 加载 Java 最核心的类，是由虚拟机提供的类加载器。默认加载/jre/lib 下的类文件。 开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。

2. 扩展类加载器 Extension ClassLoader（jdk 1.8） 或者 Platform ClassLoader（jdk 9） 负责将Java_Home /lib/ext或者由系统变量 java.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。 开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

3. 应用程序类加载器 / 系统加载器 负责将系统类路径（CLASSPATH）中指定的类库加载到内存中。 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（System）加载器。 开发者可以直接使用系统类加载器。

4. 自定义类加载器

双亲委派机制

例如类java.lang.Object，它存在在rt.jar中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的Bootstrap ClassLoader进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。

相反，如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话，如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，程序将混乱。因此，如果开发者尝试编写一个与rt.jar类库中重名的Java类，可以正常编译，但是永远无法被加载运行。

破坏双亲委派机制

1. 自定类加载器 自定义类继承 ClassLoader 类，重写 loadClass 方法（首先尝试自己加载而不是寻找父类加载器）和 findClass（从特定路径寻找类） 方法。 Tomcat 通过这种方式实现应用之间的类隔离。 ___。 __根据类的唯一性，这需要确保二者的类加载器不同，所以 Tomcat 使用自定义类加载器来实现应用之间类的隔离，每一个应用会有一个独立的类加载器加载对应类。 _自定义类仍然可以用于类加密、热部署和热更新以及模块化和插件化。
一个 Tomcat 程序可以运行多个 Web 应用，如果两个应用中出现了限定名相同的类，Tomcat 需要保证他们都能被加载并且明确是两个不同的类

2. 线程上下文加载器线程上下文类加载器允许开发者在特定的线程中指定一个类加载器，这样在该线程内的一些操作（如资源查找等）就会使用这个指定的类加载器，而不是默认的类加载器。 每个类都会使用加载自己的类加载器去加载其他类，但是对于SPI来说，有些接口是Java核心库所提供的,而Java核心库是由启动类加载器来加载的，而这些接口的实现却来自于不同的jar包(厂商提供)， Java的启动类加载器是不会加载其他来源的jar包，这样传统的双亲委托模型就无法满足SPI的要求。而通过给当前线程设置上下文类加载器，就可以由设置的上下文类加载器来实现对于接口实现类的加载。

3. OSGi 实现一整套类加载机制，允许同级类加载器之间互相调用。

运行时数据区

线程私有

1. Program Counter Register 程序计数器，每个线程会通过程序计数器记录当前要执行的字节码指令地址。 可以控制程序指令的进行和线程切换恢复执行。

2. Java Virtual Machine Stack 每个 Java 方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

3. Native Method Stacks 本地方法栈存储本地方法栈帧，在 HotSpot 虚拟机中，Java 虚拟机栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。

线程共享

1. Java Heap 分配内存空间以创建并存储对象。
1. Heap 对于堆空间来说，有三个需要关注的值，_used、total、max__。_ used 指当前已使用的堆内存，total 指 JVM 已经分配的可用堆内存，max 指 JVM 可以分配的最大堆内存。 max 默认是系统内存 1/4，total 默认是系统内存 1/64。在实际应用中一般需要设置 max 和 total 的值。（-Xmx -Xms）
2. Object
1. 创建过程
1. 类加载检查
2. 划分可用空间 同步锁定：对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。 分配缓冲：另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。
3. 初始化零值 内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值（如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行）。 这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，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
4. 设置对象头
5. 执行 init 方法
2. 内存布局
1. Header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32个比特和64个比特，官方称它 为“Mark Word”。指向它的类型元数据的指针。
2. Instance Data 对象真正存储的有效信息。
3. Padding占位符。HotSpot虚拟机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，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过占位符对齐填充来补全。
3. 访问定位
1. 句柄访问 句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
2. 直接指针 使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本，_就虚拟机HotSpot而言，它主要直接指针进行对象访问。__ _

2. Method Area JDK 7 将 Method Area 存放在在 Java Heap: Permanent Generation （-XX:MaxPermSize=Value 控制） JDK 8 将 Method Area 存放在操作系统维护的直接内存（元空间） （默认情况下只要不超过操作系统承受上限，可以无限分配。也可以使用 -XX：MaxMataSpaceSize=Value 控制）
1. 类的元信息主要是类的定义。
2. 运行时常量池 字节码文件中通过编号查表的方法找到常量，这种常量池成为静态常量池。当静态常量池加载到内存中，可以通过内存地址快速定位到常量池中内容，这种常量池称为运行时常量池。
3. 字符串常量池存储代码中定义的常量字符串内容。

自动垃圾回收

标记可回收

常见对象引用

1. Strongly Re-ference 指在程序代码中普遍存在的引用赋值。 无论任何情况，只要强引用关系存在，GC 永远不会回收被引用的对象。

2. Soft Reference 描述非必须对象。 JDK 提供 SoftReference Class 实现，主要应用于缓存。 只被软引用关联的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，会被列入回收范围进行二次回收，回收后若仍没有足够内存，才会抛出 OOM。

3. Weak Reference 描述非必须对象。 JDK 提供 WeakReference Class 实现，弱引用主要在 ThreadLocal 应用。 GC 工作时无论当前内存是否足够都会回收掉只被弱引用关联的对象。

4. Phantom Reference 最弱引用关系。 一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。常规开发不会使用。

5. 终结器引用 指在对象需要被回收时，终结器引用会关联对象并放置在 Finalizer 类中的引用队列中，在稍后由 FinalizerThread 线程从队列中获取对象，然后执行对象的 fianlize 方法，在对象第二次被回收时，该对象才真正被回收。 这个过程中可以在 finalize 方法中再将自身对象使用强引用关联。 在最终清除资源之前，给予一定缓冲区来进行必要的处理和恢复操作。常规开发不会使用。

判断对象存活

1. 引用计数法 引用计数法会为每个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时加1，取消引用时减1. 但每次引用和取消引用都需要维护计数器，影响系统性能。同时存在循环引用，出现对象无法回收的问题。

2. 可达性分析算法 可达性分析算法将对象分为两类：垃圾回收的根对象和普通对象，对象与对象之间存在引用关系。 可达性分析算法指的就是如果某个对象到 GC Root 是可达的，该对象就不会被回收。 JVM 采用此方法判断对象是否可回收。 GC Root 大致有：
1. 线程 Thread 对象，引用线程栈帧中的方法参数、局部变量。
2. 系统类加载器加载的 java.lang.Class 独享，引用类中的静态变量。
3. 监视器对象，用来保存同步锁 synchronized 关键字持有对象。
4. 本地方法调用时使用的对象。

方法区回收

1. 手动触发回收 System.gc()，但是这并不会立即回收垃圾，仅仅是向 JVM 发送垃圾回收请求，是否需要执行由 JVM 判断。

2. 自动判定回收
1. 此类所有实例对象都已经被回收，Java Heap 中不存在任何派生子类实例。
2. 加载该类的类加载器已经被回收，也就是说自定义类只要被加载就永远不会被回收，因为它们的加载器是应用加载器。
3. 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类方法。

堆回收

垃圾回收算法

1. Mark-Sweep 标记所有需要回收对象，标记完成后，统一回收所有被标记对象。 这种方法有以下缺点：
1. 执行效率不稳定，标记和清除的效率随对象数量增长而降低。
2. 内存空间碎片化，标记清除后产生大量不连续内存碎片，可能导致无法为大对象分配空间而不得不提前触发另一次垃圾回收。

2. Marker-Compact 标记过程和 Marker-Sweep 相同，但是后续步骤不是直接对回收对象进行清理，而是让所有对象都向内存空间的一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。 这问题，但是移动存活对象并更新所有引用是一种相当负重的操作，而且这种移动对象，像这样长时间的停顿被表述 （Stop The World）。 另外 Mark-Sweep 算法也是需要停顿用户线程来标记、清理可回收对象的，只是时间相对较短。
解决了 Marke-Sweep 算法带来的内存空间碎片化
操作必须全程暂停用户应用程序才能进行
STW

3. Semispace Copying 将 Java Heap 按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用尽，就将仍然存活的对象复制到另外一块内存，并把已经使用的内存空间一次性清理。对于大多数对象可回收的情况，算法需要复制的就是极少数的对象。而且每次都是针对整个半区进行内存回收，分配内存的时候也不用考虑空间碎片。 但是如果内存中大多数对象存活，将会产生大量内存间复制的开销；

4. Generational Collection 开发者观察到这样一些事实：
1. 绝大多数对象都是朝生夕灭。
2. 经过垃圾回收次数越多的对象就越难以消亡。
3. 跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数。

垃圾回收器

1. Serial & Serial Old
1. Serial：单线程串行回收年轻代（Semispace Copying），单核 CPU 表现较好。
2. Serial Old：单线程串行回收老年代（Sweep-Compact）

2. ParNew & CMS
1. ParNew：多线程回收年轻代（Semispace Copying）
2. CMS：并发回收老年代（Mark-Sweep），垃圾回收停顿时间较短。

3. Parallel Scavenge & Parallel Old
1. Parallel Scavenge，多线程并行回收 Young（Semispace Copying），能自动调整堆内存。
2. Parallel Old，多线程并发回收 Old（Mark-Sweep），多核 CPU 效率高。

• Young GC当 G1 判断年轻代不足（默认 Eden / Java Heap = 60%），触发 Young GC。 回收 Eden 和 Survivor 中可回收对象，会导致 STW，G1 支持设置最大暂停时间并尽力保证。
• 标记 Eden 区域和 Survivor 区域中存活对象。
• 根据设定最大暂停时间复制存活对象到新的 Survivor 区域，清空标记区域。（过程中会记录每次垃圾回收时 Eden 和 Survivor 的平均耗时作为下次回收的参考依据）
• 当某个存活对象年龄达到阈值（默认 15），移入 Old 区域。
• 某个对象大小超过 Region / 2，直接放入 Humongous（Old），对象过大可以横跨多个 Region。

• Mixed GC 当 G1 判断老年代过大（默认 Old / Java Heap = 45%），触发 Mixed GC。 Mixed GC 回收部分 Eden、Old 以及 Humongous，选择依据 G1 维护的优先级列表，回收采用复制算法，如果清理过程中没有足够的 Region 存放转移对象触发 Full GC，单线程执行 Mark Sweep 算法，此时会导致不受控制的用户线程停顿。

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