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JVM和GC的工作原理

JVM

Java虛擬機：Java 虛擬機（Java virtual machine，JVM）是運行 Java 程序必不可少的機制。JVM實現了Java語言最重要的特征：即平臺無關性。原理：編譯后的 Java 程序指令并不直接在硬件系統的 CPU 上執(zhí)行，而是由 JVM 執(zhí)行。JVM屏蔽了與具體平臺相關的信息，使Java語言編譯程序只需要生成在JVM上運行的目標字節(jié)碼（.class）,就可以在多種平臺上不加修改地運行。Java 虛擬機在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。因此實現java平臺無關性。它是 Java 程序能在多平臺間進行無縫移植的可靠保證，同時也是 Java 程序的安全檢驗引擎（還進行安全檢查）。

JVM 是 編譯后的 Java 程序（.class文件）和硬件系統之間的接口 （ 編譯后：javac 是收錄于 JDK 中的 Java 語言編譯器。該工具可以將后綴名為. java 的源文件編譯為后綴名為. class 的可以運行于 Java 虛擬機的字節(jié)碼。）

JVM architecture:

JVM = 類加載器 classloader + 執(zhí)行引擎 execution engine + 運行時數據區(qū)域 runtime data area classloader ：把硬盤上的class 文件加載到JVM中的運行時數據區(qū)域, 但是它不負責這個類文件能否執(zhí)行，而這個是 執(zhí)行引擎 負責的。

classloader

作用：裝載.class文件 classloader有兩種裝載.class文件的方式（時機）： 1. 隱式：運行過程中，碰到new方式生成對象時，隱式調用classLoader到JVM 2. 顯式：通過class.forname()動態(tài)加載

執(zhí)行引擎

作用： 執(zhí)行字節(jié)碼，或者執(zhí)行本地方法

runtime data area

JVM 運行時數據區(qū) (JVM Runtime Area) 其實就是指 JVM 在運行期間，其對JVM內存空間的劃分和分配。JVM在運行時將數據劃分為了6個區(qū)域來存儲。

程序員寫的所有程序都被加載到運行時數據區(qū)域中，不同類別存放在heap, java stack, native method stack, PC register, method area.

下面對各個部分的功能和存儲的內容進行描述：

1、PC程序計數器：一塊較小的內存空間，可以看做是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器, NAMELY存儲每個線程下一步將執(zhí)行的JVM指令，如該方法為native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。Java 的多線程機制離不開程序計數器，每個線程都有一個自己的PC，以便完成不同線程上下文環(huán)境的切換。

2、java虛擬機棧：與 PC 一樣，java 虛擬機棧也是線程私有的。每一個 JVM 線程都有自己的 java 虛擬機棧，這個棧與線程同時創(chuàng)建，它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內存模型：每個方法被執(zhí)行的時候都會同時創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作數棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執(zhí)行完成的過程就對應著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

3、本地方法棧：與虛擬機棧的作用相似，虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行執(zhí)行java方法服務，而本地方法棧則為虛擬機使用到的本地方法服務。

4、Java堆：被所有線程共享的一塊存儲區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建，它是JVM用來存儲對象實例以及數組值的區(qū)域，可以認為Java中所有通過new創(chuàng)建的對象的內存都在此分配。

Java堆在JVM啟動的時候就被創(chuàng)建，堆中儲存了各種對象，這些對象被自動管理內存系統（Automatic Storage Management System，也即是常說的 “Garbage Collector（垃圾回收器）”）所管理。這些對象無需、也無法顯示地被銷毀。

JVM將Heap分為兩塊：新生代New Generation和舊生代Old Generation

Note:

堆在JVM是所有線程共享的，因此在其上進行對象內存的分配均需要進行加鎖，這也是new開銷比較大的原因。鑒于上面的原因，Sun Hotspot JVM為了提升對象內存分配的效率，對于所創(chuàng)建的線程都會分配一塊獨立的空間，這塊空間又稱為TLABTLAB僅作用于新生代的Eden Space，因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效

5、方法區(qū) 方法區(qū)和堆區(qū)域一樣，是各個線程共享的內存區(qū)域，它用于存儲每一個類的結構信息，例如運行時常量池，成員變量和方法數據，構造函數和普通函數的字節(jié)碼內容，還包括一些在類、實例、接口初始化時用到的特殊方法。當開發(fā)人員在程序中通過Class對象中的getName、isInstance等方法獲取信息時，這些數據都來自方法區(qū)。

方法區(qū)也是全局共享的，在虛擬機啟動時候創(chuàng)建。在一定條件下它也會被GC。這塊區(qū)域對應Permanent Generation 持久代。 XX：PermSize指定大小。

6、運行時常量池 其空間從方法區(qū)中分配，存放的為類中固定的常量信息、方法和域的引用信息。

GC

何為GC？ 垃圾回收機制是由垃圾收集器Garbage Collection GC來實現的，GC是后臺的守護進程。它的特別之處是它是一個低優(yōu)先級進程，但是可以根據內存的使用情況動態(tài)的調整他的優(yōu)先級。因此，它是在內存中低到一定限度時才會自動運行，從而實現對內存的回收。這就是垃圾回收的時間不確定的原因。

為何要這樣設計：因為GC也是進程，也要消耗CPU等資源，如果GC執(zhí)行過于頻繁會對java的程序的執(zhí)行產生較大的影響（java解釋器本來就不快），因此JVM的設計者們選著了不定期的gc。

GC有關的是: runtime data area 中的 heap（對象實例會存儲在這里） 和 gabage collector方法。 程序運行期間，所有對象實例存儲在運行時數據區(qū)域的heap中，當一個對象不再被引用（使用），它就需要被收回。在GC過程中，這些不再被使用的對象從heap中收回，這樣就會有空間被循環(huán)利用。 GC為內存中不再使用的對象進行回收，GC中調用回收的方法–收集器garbage collector. 由于GC要消耗一些資源和時間，Java 在對對象的生命周期特征（eden or survivor）進行分析之后，采用了分代的方式進行對象的收集，以縮短GC對應用造成的暫停。

在垃圾回收器回收內存之前，還需要一些清理工作。 因為垃圾回收gc只能回收通過new關鍵字申請的內存（在堆上），但是堆上的內存并不完全是通過new申請分配的。還有一些本地方法（一般是調用的C方法）。這部分“特殊的內存”如果不手動釋放，就會導致內存泄露，gc是無法回收這部分內存的。 所以需要在finalize中用本地方法(native method)如free操作等，再使用gc方法。顯示的GC方法是system.gc()。

垃圾回收技術

引用計數法。簡單但速度很慢。缺陷是：不能處理循環(huán)引用的情況。停止-復制(stop and copy)。效率低，需要的空間大，優(yōu)點，不會產生碎片。標記 - 清除算法 (mark and sweep)。速度較快，占用空間少，標記清除后會產生大量的碎片。

JAVA虛擬機中是如何做的？ java的做法很聰明，我們稱之為"自適應"的垃圾回收器，或者是"自適應的、分代的、停止-復制、標記-清掃"式垃圾回收器。它會根據不同的環(huán)境和需要選擇不同的處理方式。

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