一.jvm体系结构

1.jvm整体结构

jvm总体上是由类装载子系统（ClassLoader）、运行时数据区、执行引擎三个部分组成。
（jvm本质上就是一个java进程）

2.jvm生命周期

（1）jvm启动：通过一个引导类加载器创建一个初始类来完成，这个类由虚拟机具体实现指定
（2）jvm运行：执行java程序
（3）jvm退出：①程序执行结束或遇到异常②某线程调用System或Runtime类的exit方法或Runtime的halt方法

3.jvm发展历程

（1）sun classic VM：世界上第一款商用虚拟机（jdk1.4时被完全淘汰）只有解释器,hotspot内置此虚拟机
（2）exact VM:JDK1.2引入，可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型（eg：不能判断某个数据是数值还是地址，要通过handler句柄去找，很麻烦）
（3）hotspot VM：jdk1.3称为默认虚拟机。具备热点代码探测技术（引入方法区的概念）
（4）Jrockit：专注于服务器端应用。不关注启动速度，因此不包含解析器实现，所有代码都靠即时编译器编译后执行
（5）J9：ibm公司，广泛应用与ibm的各种java产品

二.类加载子系统

1.作用

加载class文件，加载的类信息存放于方法区（除类信息外方法区还有运行时常量池，字符串字面量和数字常量）

2.加载过程

1.加载：通过类的全限定名获取类的二进制字节流（从磁盘或网路加载类到内存），在方法区生成一个代表这个类的class对象
2.链接：
（1）验证：确保class文件包含的信息符合当前虚拟机的需求
（2）准备：为类变量分配内存（方法区），并设置默认初始值，即0（注意：不包含final修饰的static，因为在编译阶段就会初始化）
（3）解析：将常量池内符号引用转化为直接引用（加载类中用到的其它类如System）
3.初始化
静态初始化——父类初始化——子类初始化
父类静态成员和static块-子类静态成员和static块
父类普通成员和非static块-父类构造函数
子类普通成员和非static块-子类构造函数

3.类加载器分类

（1）启动类加载器：使用c/c++实现，加载java的核心库（jre的lib下rt.jat）
（2）扩展类加载器：java编写，父加载器为启动类加载器(从jre/lib/ext下加载类库)
（3）应用类加载器：程序中默认的类加载器（加载classpath下的类库）

4.双亲委派机制

1.机制
（1）一个类加载器收到类加载请求，不会自己加载，而是交给父类的加载器去加载
（2）父类加载器还存在父加载器，进一步向上委托，直到达到顶层的启动类加载器
（3）父类加载器可以完成类加载，就成功返回。如果不能子类加载器才尝试加载
2.好处
（1）避免类重复加载，父classloader加载后没必要子classloader再加载
（2）安全保证，java核心api定义的类型不会被随意替换

三.运行时数据区

1.程序计数器

1.程序计数器作用：指向下一条指令的地址 线程私有（唯一一个再jvm中没有内存溢出的区域）
2.为什么需要？：cpu需要不停的切换各个线程，切换回来后需要知道从哪开始继续执行

2.虚拟机栈

1.概述
每个线程创建时都会创建一个虚拟机栈，内部保存着一个个栈帧，对应着方法的执行
2.设置栈内存大小
-Xss：设置线程最大的栈空间
3.栈帧
（1）局部变量表：主要用于存储方法参数和方法体内的局部变量（基本单位是slot（变量槽）32位以内占一个槽，64位占两个槽）
变量的分类：

成员变量：又分为类变量和实例变量（根据是否static修饰）  
局部变量：方法内的变量  

（2）操作数栈：在方法执行过程中，根据字节码指令往栈中写入或提取数据。即入栈/出栈
（3）动态链接：将符号引用转化为直接引用
每个栈帧内部包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用（可以理解为栈中保存的方法的地址，真正的方法结构是在方法区的运行时常量池中）
（4）方法返回地址：调用程序计数器的值作为返回地址。即调用吓一条指令的地址

3.本地方法栈

作用：用于管理本地方法（native）的调用

4.堆

1.概述

所有的对象和数组都应当在运行时分配在堆上 。

2.堆的内存细分

java8前，新生区（Eden和Survivor）+老年区+永久区
java8后，新生区（Eden和Survivor）+老年区+元空间

3.堆空间大小设置

（1）
-Xms：表示堆区的起始内存
-Xmx：表示堆区的最大内存（超出OOM）
（通常两个参数值相等，避免了gc后频繁的调整堆内存大小）

（2）默认初始大小：电脑内存/64
，最大内存大小 电脑内存/4

（3）查看设置的方式
方式一：
jps （查看java进程）
jstat -gc 进程id （显示gc相关的堆信息）
方式二：
-XX:+PrintGCDetails

4.年轻代与老年代

（1）参数配置
①默认-XX：NewRatio 新生代占1，老年代占2
②默认-XX:SurvivorRatio=8 Eden和两个survivor-1：8：8

5. 对象分配一般过程

1.new的对象先放到Eden，此区有大小限制
2.当Eden满时，会进行young gc（stop the world），将Eden死亡的对象销毁，加载新的对象进eden
3.将Eden剩余的对象放到survivor0
4.再次gc时，会将eden和survivor0存活的对象放到survivor1
5.当对象的年龄超过一定次数（默认15）进入老年区
（-XX:MaxTenuringThreshold=15）

6.对象分配的特殊情况

1.对象过大，Eden区放不下，直接放到老年代 （老年代也放不下进行old gc）
2.从eden放survivor的对象放不下，直接放老年代

7.yong gc ，old gc， full gc？

1.yong gc：只是新生代的垃圾收集（eden，s0，s1）（stw）
2.old gc：针对老年代的收集（stw）
（stw原因：避免垃圾回收的时候用户线程再产生垃圾）
3.full gc：针对整个堆和方法区的垃圾收集
full gc出发机制：①调用System.gc() ②老年代空间不足 ③方法区空间不足

5.方法区

1.概述

和堆一样，线程共享。存储 类信息，常量，静态变量，编译后的代码。实现方式是永久代（1.8之前）和元空间（1.8之后）（非堆）

2.永久代和元空间的区别？

1.永久代使用jvm内存，元空间使用本地内存
2.运行时常量池从永久代放入堆中

3.参数设置

1.8之前：
-XX：permsize 设置永久代初始空间
-xx：maxpermsize 永久代最大空间
1.8之后：
-xx：metaspacesize 默认元空间大小
-xx：maxmetaspacesize 最大元空间大小

4.常量池和运行时常量池

字节码文件，内部包含了常量池
方法区，内部包含了运行时常量池

1.常量池
一个java源文件中的类，接口编译产生字节码文件。代码中可能用到system，print等结构。如果把他们所有的信息都存在这个class文件，那文件就会非常大。所以把他们标识存到常量池。所以它可以看作一个表，虚拟机指令根据这张表找到曜执行的类，方法等。

2.运行时常量池
类加载后会将常量池中的内容加载到方法区的运行时常量池中

5.jdk6 7 8 方法区的演进？

jdk1.6：有永久代，静态变量存放在永久代
jdk1.7：有永久代，字符串常量池，静态变量保存在堆
jdk1.8：永久代变元空间。类信息，常量保存在元空间。字符串常量池，静态变量仍在堆

6.jdk1.7后字符串常量池为什么放到堆中？

永久代回收效率很低，在full gc的时候才会触发。而full gc是老年代空间不足，永久代不足时才会触发。这就导致字符串常量池回收效率不高。开发过程我们会创建大量的字符串。所以放到堆里能及时回收

6.对象的实例化

1.对象创建的方式

1.new
2.Class的newInstance()
3.Constructor的newInstance方法
4.clone() 不调用任何构造器，当前类实现cloneable接口，实现clone方法
5.使用反序列化

2.创建对象的步骤

1.判断对象对应的类是否加载，连接，初始化
2.为对象分配内存
（1）如果内存规整，虚拟机采用指针碰撞来分配内存。所有用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边。中间放着一个指针作为分界点指示器，分配内存就仅仅把指针空闲那一边挪动一段与对象大小相等的距离
（2）如果内存不规整，虚拟机采用空闲列表法来分配内存。列表上记录哪些块是可用的，在分配的时候从列表找到一块足够大的空间分配给列表实例
3.处理并发安全问题。采用cas失败重试，区域加锁保证更新的原子性
4.初始化属性值
5.设置对象的对象头
6.执行init进行初始化（显示初始化）

7.string

1.string的不可变性

字符串创建后就不可改变，即使对它进行拼接等操作也是在新的字符串的基础上做的

2.string创建的位置

通过字面量给字符串赋值，此时字符串值声明在字符串常量池。（字符串常量池不会存储相同的字符串——底层使用map）
(1)String str1= “abc”； 在编译期，JVM会去常量池来查找是否存在“abc”，如果不存在，就在常量池中开辟一个空间来存储“abc”；如果存在，就不用新开辟空间。然后在栈内存中开辟一个名字为str1的空间，来存储“abc”在常量池中的地址值。

(2)String str2 = new String("abc") ;在编译阶段JVM先去常量池中查找是否存在“abc”，如果过不存在，则在常量池中开辟一个空间存储“abc”。在运行时期，通过String类的构造器在堆内存中new了一个空间，然后将String池中的“abc”复制一份存放到该堆空间中，在栈中开辟名字为str2的空间，存放堆中new出来的这个String对象的地址值。

3.string拼接操作

1.常量与常量的拼接结果在常量池，原理是编译期优化

String s1 = "a" + "b" + "c";
String s2 = "abc"
s1 == s2 //true

2.常量池中不会存在相同内容的常量

3.只要有一个是变量，结果就在堆中(相当于new String)。变量拼接的原理是stringBuilder

String s1 = "a";
String s2 ="b";

String s3 = "a" + s2;
String s4 = s1 + s2;
String s5 = "a" + "b"

s3 == s4 //false
s4 == s5 //false

String s6 = s3.intern()
s6 == s5  //true

4.拼接结果调用intern（）方法，则主动将常量池中还没有的对象放入池中。并返回此对象地址（常量池中的地址）

4.拼接操作与append效率对比？

（1）
String s = "";
Random r = new Random();
for (int i = 0;i < 10;i++) {
      s = s + r.nextInt(1000) + " ";          
}
（2） 
String s = "";
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for(int i = 0; i < 10; i++){
     sb.append(" ");
}

变量的字符串拼接，底层调用的是stringBuilder的append方法。在for循环中这样拼接的话每次都创建一个stringBuilder对象

5.new string创建对象的个数？

1.new string("ab");会创建几个对象？
两个，堆空间+字符串常量池

2.new String("a") + new String("b")创建几个对象？

（1）StringBuilder
（2）new string（"a"）
（3）常量池中的"a"
（4）new string（"b"）
（5）常量池中的"b"

四.执行引擎

1.执行引擎概述

将字节码指令解释/编译(注意区分和前面java的编译)为对应平台上的本地机器指令

2.解释器和编译器

1.解释器：对字节码采用逐行解释的方式执行，将字节码指令解释为本地本地机器指令
2.编译器：将Java编译为class代码

五.对象存活判断（标记阶段）

1.引用计数算法

1.概述

每个对象关联一个引用计数器属性，任何一个对象引用了A，引用计数器的值加1.当引用失效时，引用计数器就减1.当引用计数器的值为0时，表示对象不再被使用，可进行回收

2.缺点

1.需要单独的字段存储计数器，这样增加了存储空间的开销
2.每次赋值都要更新计数器值，增加了时间开销
3.存在循环引用的问题（所以jvm不用）：比如一个引用p指向a，a依赖于b，b依赖于c,c依赖于a.当p置空时。a，b，c引用计数器的值仍为1.不会被回收

2.可达性分析法

1.概念

设立若干根对象，当任何一个根对象到某一个对象均不可达时，认为这个对象可以被回收

2.哪些可以作为gc roots？

1.虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象；
2.本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）中引用的对象
3.方法区中的类静态属性引用的对象；
4.方法区中常量引用的对象；
（GC Root Object可以从Java堆的外部访问，也就是不受GC的自动回收管制。可以理解为有免死金牌的Java对象）

六.垃圾清除算法（清除阶段）

1.标记-清除算法

1.概述

标记-清除算法：通过根节点，标记所有根节点开始的可达对象，清除未被标记对象（会产生内存碎片）

2.缺点

1.stop the world，gc的时候停止整个应用程序
2.产生碎片，需要维护一个空闲列表（记录垃圾所在的位置，新对象到时可以直接覆盖该区域）
3.效率不高（进行了两次O(N)的遍历）

2.复制算法（新生代默认）

1.概述

将内存分为一块较大的Eden和两块较小的survivor，每次使用Eden和其中一块survivor。Gc时将标记的对象复制到另一块survivor

1.优点

1.没有标记和清除的过程，运行高效
2.复制过去以后保证空间的连续性，不会有碎片产生

2.缺点

浪费内存空间，始终要有一个空闲的survivor

3.标记-整理算法

1.概述

将标记的对象移动到内存的一端，清除边界外的所有空间（解决了碎片问题）

4.三种算法的对比

速度：复制>标记清除>标记整理

5.分代收集算法

目前几乎所有的gc采用分代收集算法进行垃圾回收
年轻代：复制算法
老年代：标记清除与标记整理混合

七.垃圾收集器

新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel；

老年代收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS；

整堆收集器：G1；

1.serial

采用一条收集线程完成收集工作。stop the world（新生代复制 老年代标记整理）
-xx:+UseSerialGC

2.parnew

serial收集器的多线程版本
-xx:+UseparnewGC

3.parallel（高吞吐）

类似parnew。也采用复制算法。不过他的目的是高吞吐量（吞吐量 = 用户代码运行时间/（垃圾收集时间+用户代码运行时间））。通过-XX:MaxGCPauseMillis设置gc最大暂停时间提高吞吐量（但可能导致垃圾收集发生的频繁一些）
对于老年代，提供了parallel old收集器。目的也是高吞吐量

4.cms（低延迟）

1.概述
他关注的是尽可能缩短stw的时间（采用标记清除算法）
可以实现用户线程与垃圾收集线程同时执行（并发标记和清除阶段）
-xx:+UseConcMarkSweepGc
2.cms工作原理
（1）初始标记：标出gc root能直接关联到的对象（stw，但非常短）
（2）并发标记：从gc-root的直接关联对象遍历整个对象图的过程（耗时长但不stw）
（3）重新标记：标记并发标记期间用户线程产生的新的而未被标记的对象（stw）
（4）并发清除：清除未被标记的对象

3.cms为什么不使用标记-整理算法？
因为采用并发，并发清除时垃圾收集线程和用户线程都在执行，使用标记整理会改变对象的内存地址，用户线程无法正常使用对象

4.G1

garbage first。对垃圾进行优先级划分。
它把堆内存划分为不同的region。来代标eden，s0，s1，老年代等。跟踪各个region的垃圾价值（垃圾的数量和垃圾收集的时间）。维护一个优先级列表，优先收集价值最大的region。避免了堆中全区域的垃圾收集