前言

最近看了深入理解Java虛擬機(jī)第三版，整理了一些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖，算是比較全的了，做一下筆記，大家一起學(xué)習(xí)。

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1.Java虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)圖

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)是Java程序員必須掌握的基礎(chǔ)。

程序計數(shù)器

• 程序計數(shù)器，可以看作當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器
• 它是線程私有的。

Java虛擬機(jī)棧

• 線程私有的，生命周期與線程相同。
• 每個方法被執(zhí)行的時候都會創(chuàng)建一個"棧幀",用于存儲局部變量表(包括參數(shù))、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。
• 局部變量表存放各種基本數(shù)據(jù)類型boolean、byte、char、short等

本地方法棧

• 與虛擬機(jī)棧基本類似，區(qū)別在于虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行的java方法服務(wù)，而本地方法棧則是為Native方法服務(wù)。

Java堆

• Java堆是java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊內(nèi)存區(qū)域，也是被各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，在JVM啟動時創(chuàng)建。
• 其大小通過-Xms和-Xmx參數(shù)設(shè)置，-Xms為JVM啟動時申請的最小內(nèi)存，-Xmx為JVM可申請的最大內(nèi)存。

方法區(qū)

• 它用于存儲虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域。-可以通過-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 參數(shù)限制方法區(qū)的大小。

2. 堆的默認(rèn)分配圖

• Java堆 = 老年代 + 新生代
• 新生代 = Eden + S0 + S1
• 新生代與老年代默認(rèn)比例的值為 1:2 ，可以通過參數(shù) –XX:NewRatio 配置。
• 默認(rèn)的，Eden : from : to = 8 : 1 : 1 ，可以通過參數(shù)–XX:SurvivorRatio 來設(shè)定

3.方法區(qū)結(jié)構(gòu)圖

方法區(qū)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、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)。

4.對象的內(nèi)存布局圖

一個Java對象在堆內(nèi)存中包括對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和補(bǔ)齊填充3個部分：

• 對象頭包括Mark Word(存儲哈希碼，GC分代年齡等) 和 類型指針(對象指向它的類型元數(shù)據(jù)的指針)，如果是數(shù)組對象，還有一個保存數(shù)組長度的空間
• 實(shí)例數(shù)據(jù)是對象真正存儲的有效信息，包括了對象的所有成員變量，其大小由各個成員變量的大小共同決定。
• 對齊填充不是必然存在的，僅僅起占位符的作用。

5.對象頭的Mark Word圖

• Mark Word 用于存儲對象自身的運(yùn)行時數(shù)據(jù)，如哈希碼(HashCode)、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等。
• 在32位的HotSpot虛擬機(jī)中，如果對象處于未被鎖定的狀態(tài)下，那么Mark Word的32bit空間里的25位用于存儲對象哈希碼，4bit用于存儲對象分代年齡，2bit用于存儲鎖標(biāo)志位，1bit固定為0，表示非偏向鎖。

6.對象與Monitor關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

對象是如何跟monitor有關(guān)聯(lián)的呢?

一個Java對象在堆內(nèi)存中包括對象頭，對象頭有Mark word，Mark word存儲著鎖狀態(tài)，鎖指針指向monitor地址。Synchronized的底層跟這相關(guān)哦~

7.Java Monitor的工作機(jī)理圖：

Java 線程同步底層就是監(jiān)視鎖Monitor~，如下是Java Monitor的工作機(jī)理圖：

• 想要獲取monitor的線程,首先會進(jìn)入_EntryList隊(duì)列。
• 當(dāng)某個線程獲取到對象的monitor后,進(jìn)入Owner區(qū)域，設(shè)置為當(dāng)前線程,同時計數(shù)器count加1。
• 如果線程調(diào)用了wait()方法，則會進(jìn)入WaitSet隊(duì)列。它會釋放monitor鎖，即將owner賦值為null,count自減1,進(jìn)入WaitSet隊(duì)列阻塞等待。
• 如果其他線程調(diào)用 notify() / notifyAll() ，會喚醒WaitSet中的某個線程，該線程再次嘗試獲取monitor鎖，成功即進(jìn)入Owner區(qū)域。
• 同步方法執(zhí)行完畢了，線程退出臨界區(qū)，會將monitor的owner設(shè)為null，并釋放監(jiān)視鎖。。

8.創(chuàng)建一個對象內(nèi)存分配流程圖

• 對象一般是在Eden區(qū)生成。
• 如果Eden區(qū)填滿，就會觸發(fā)Young GC。
• 觸發(fā)Young GC的時候，Eden區(qū)實(shí)現(xiàn)清除，沒有被引用的對象直接被清除。
• 依然存活的對象，會被送到Survivor區(qū)，Survivor =S0+S1.
• 每次Young GC時，存活的對象復(fù)制到未使用的那塊Survivor 區(qū)，當(dāng)前正在使用的另外一塊Survivor 區(qū)完全清除，接著交換兩塊Survivor 區(qū)的使用狀態(tài)。
• 如果Young GC要移送的對象大于Survivor區(qū)上限，對象直接進(jìn)入老年代。
• 一個對象不可能一直呆在新生代，如果它經(jīng)過多次GC，依然活著，次數(shù)超過-XX:MaxTenuringThreshold的閥值，它直接進(jìn)入老年代。簡言之就是，對象經(jīng)歷多次滾滾長江，紅塵世事，終于成為長者(進(jìn)入老年代)

9.可達(dá)性分析算法判定對象存活

可達(dá)性分析算法是用來判斷一個對象是否存活的~

算法的核心思想：

• 通過一系列稱為“GC Roots”的對象作為起始點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開始根據(jù)引用關(guān)系向下搜索，搜索走過的路徑稱為“引用鏈”，當(dāng)一個對象到 GC Roots 沒有任何的引用鏈相連時(從 GC Roots 到這個對象不可達(dá))時，證明此對象不可能再被使用。

10.標(biāo)記-清除算法示意圖

• 標(biāo)記-清除算法是最基礎(chǔ)的垃圾收集算法。
• 算法分為兩個階段，標(biāo)記和清除。
• 首先標(biāo)記出需要回收的對象，標(biāo)記完成后，統(tǒng)一回收掉被標(biāo)記的對象。
• 當(dāng)然可以反過來，先標(biāo)記存活的對象，統(tǒng)一回收未被標(biāo)記的對象。
• 標(biāo)記-清除 兩個缺點(diǎn)是，執(zhí)行效率不穩(wěn)定和內(nèi)存空間的碎片化問題~

11.標(biāo)記-復(fù)制算法示意圖

• 1969年 Fenichel提出“半?yún)^(qū)復(fù)制”，將內(nèi)存容量劃分對等兩塊，每次只使用一塊。當(dāng)這一塊內(nèi)存用完，將還存活的對象復(fù)制到另外一塊，然后把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉~
• 1989年，Andrew Appel提出“Appel式回收”，把新生代劃分為較大的Eden和兩塊較小的Survivor空間。每次分配內(nèi)存只使用Eden和其中一塊Survivor空間。發(fā)生垃圾收集時，將Eden和Survivor中仍然存活的對象一次性復(fù)制到另外一塊Survivor空間上。Eden和Survivor比例是8:1~
• “半?yún)^(qū)復(fù)制”缺點(diǎn)是浪費(fèi)可用空間，并且，如果對象存活率高的話，復(fù)制次數(shù)就會變多，效率也會降低。

12.標(biāo)記-整理算法示意圖

• 1974年，Edward 提出“標(biāo)記-整理”算法，標(biāo)記過程跟“標(biāo)記-清除”算法一樣，接著讓所有存活的對象都向內(nèi)存空間一端移動，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存~
• 標(biāo)記-清除算法和標(biāo)記整理算法本質(zhì)差異是：前者是一種非移動式的回收算法，后者是移動式的回收算法。
• 是否移動存活對象都存在優(yōu)缺點(diǎn)，移動雖然內(nèi)存回收復(fù)雜，但是從程序吞吐量來看，更劃算;不移動時內(nèi)存分配更復(fù)雜，但是垃圾收集的停頓時間會更短，所以看收集器取舍問題~
• Parallel Scavenge收集器是基于標(biāo)記-整理算法的，因?yàn)殛P(guān)注吞吐。CMS收集器是基于標(biāo)記-清除算法的，因?yàn)樗P(guān)注的是延遲。

13.垃圾收集器組合圖

• 新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
• 老年代收集器：CMS、Serial Old、Parallel Old
• 混合收集器：G1

14.類的生命周期圖

一個類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存開始，到卸載出內(nèi)存為止，這個生命周期經(jīng)歷了七個階段：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用、卸載。

加載階段：

• 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 在內(nèi)存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區(qū)這個類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口

驗(yàn)證：

• 驗(yàn)證的目的是確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息滿足約束要求，保證這些代碼運(yùn)行時不會危害虛擬機(jī)自身安全
• 驗(yàn)證階段有：文件格式校驗(yàn)、元數(shù)據(jù)校驗(yàn)、字節(jié)碼校驗(yàn)、符號引用校驗(yàn)。

準(zhǔn)備

• 準(zhǔn)備階段是正式為類中定義的變量(靜態(tài)變量)分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段。

解析

• 解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程。

初始化

• 到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的Java字節(jié)碼。

15.類加載器雙親委派模型圖

雙親委派模型構(gòu)成

啟動類加載器，擴(kuò)展類加載器，應(yīng)用程序類加載器，自定義類加載器

雙親委派模型工作過程是

如果一個類加載器收到類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器完成。每個類加載器都是如此，只有當(dāng)父加載器在自己的搜索范圍內(nèi)找不到指定的類時(即ClassNotFoundException)，子加載器才會嘗試自己去加載。

為什么需要雙親委派模型?

如果沒有雙親委派，那么用戶是不是可以自己定義一個java.lang.Object的同名類，java.lang.String的同名類，并把它放到ClassPath中,那么類之間的比較結(jié)果及類的唯一性將無法保證，因此，雙親委派模型可以防止內(nèi)存中出現(xiàn)多份同樣的字節(jié)碼。

16.棧幀概念結(jié)構(gòu)圖

棧幀是用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行背后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。棧幀存儲了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接和方法返回地址信息。

局部變量表

• 是一組變量值的存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。
• 局部變量表的容量以變量槽(Variable Slot)為最小單位。

操作數(shù)棧

• 操作數(shù)棧，也稱操作棧，是一個后入先出棧。
• 當(dāng)一個方法剛剛開始執(zhí)行的時候, 該方法的操作數(shù)棧也是空的, 在方法的執(zhí)行過程中, 會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和提取內(nèi)容, 也就是出棧與入棧操作。

動態(tài)連接

• 每個棧幀都包含一個指向運(yùn)行時常量池中該棧幀所屬方法的引用, 持有引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動態(tài)連接(Dynamic Linking)。

方法返回地址

• 當(dāng)一個方法開始執(zhí)行時, 只有兩種方式退出這個方法 。一種是執(zhí)行引擎遇到任意一個方法返回的字節(jié)碼指令。另外一種退出方式是在方法執(zhí)行過程中遇到了異常。

17.Java內(nèi)存模型圖

• Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中
• 每條線程還有自己的工作內(nèi)存
• 線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中是用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝
• 線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。
• 不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。

18.線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

Java語言定義了6種線程池狀態(tài)：

• 新建(New)：創(chuàng)建后尚未啟動的線程處于這種狀態(tài)
• 運(yùn)行(Running)：線程開啟 start()方法，會進(jìn)入該狀態(tài)。
• 無限等待(Waiting)：處于這種狀態(tài)的線程不會被分配處理器執(zhí)行時間，一般 LockSupport::park(),沒有設(shè)置了Timeoout的 Object::wait()方法，會讓線程陷入無限等待狀態(tài)。
• 限期等待(Timed Waiting)：處于這種狀態(tài)的線程不會被分配處理器執(zhí)行時間，在一定時間之后他們會由系統(tǒng)自動喚醒。 sleep()方法會進(jìn)入該狀態(tài)~
• 阻塞(Blocked)：在程序等待進(jìn)入同步區(qū)域的時候，線程將進(jìn)入這種狀態(tài)~
• 結(jié)束(Terminated)：已終止線程的線程狀態(tài)，線程已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行

19. Class文件格式圖

• u1、u2、u4、u8 分別代表1個字節(jié)、2個字節(jié)、4個字節(jié)和8個字節(jié)的無符號數(shù)
• 表是由多個無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型
• 每個Class文件的頭四個字節(jié)被稱為魔數(shù)(記得以前校招面試，面試官問過我什么叫魔數(shù)。。。)
• minor和major version表示次版本號，主版本號
• 緊接著主次版本號之后，是常量池入口，常量池可以比喻為Class文件里的資源倉庫~

20.JVM參數(shù)思維導(dǎo)圖

JVM調(diào)優(yōu)是通往高級開發(fā)的必經(jīng)橋梁，所以好好積累JVM參數(shù)配置哈~