JAVA复习笔记:内存结构和类加载

Part1：JVM内存结构

JVM定义了若干个程序执行期间使用的数据区域。这个区域里的一些数据在JVM启动的时候创建，在JVM退出的时候销毁。而其他的数据依赖于每一个线程，在线程创建时创建，在线程退出时销毁

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

可以把JVM内存结构为2个部分：

线程私有部分：

1. Program Counter Register(程序计数器)：一块较小的内存空间, 作用是当前线程所执行字节码的行号指示器(类似于传统CPU模型中的PC), PC在每次指令执行后自增, 维护下一个将要执行指令的地址. 在JVM模型中, 字节码解释器就是通过改变PC值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖PC完成(仅限于Java方法, Native方法该计数器值为undefined).

PS：通俗来讲就是每个线程都有一个程序计数器，跟踪代码运行到哪个位置了

2. Java Stack(虚拟机栈)： 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型: 每个方法被执行时会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息. 每个方法被调用至返回的过程, 就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程(VM提供了-Xss来指定线程的最大栈空间, 该参数也直接决定了函数调用的最大深度).

PS：就是线程执行方法时存放每个方法的局部变量和操作等，方法的执行过程就是入栈和出栈的过程

3. Native Method Stack(本地方法栈)：与Java Stack作用类似, 区别是Java Stack为执行Java方法服务, 而本地方法栈则为Native方法服务, 如果一个VM实现使用C-linkage模型来支持Native调用, 那么该栈将会是一个C栈

PS：原理和Java Stack一致吗，区别是只有执行JVM的native方法，使用的是Native Method Stack的内存

线程共享部分：

1. Heap(Java堆)：几乎所有对象实例和数组都要在堆上分配(栈上分配、标量替换除外), 因此是VM管理的最大一块内存, 也是垃圾收集器的主要活动区域. 由于现代VM采用分代收集算法, 因此Java堆从GC的角度还可以细分为: 新生代(Eden区、From Survivor区和To Survivor区)和老年代; 而从内存分配的角度来看, 线程共享的Java堆还还可以划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB). 而进一步划分的目的是为了更好地回收内存和更快地分配内存.

PS：可以理解为存放每个对象和数组的区域

2. Method Area(方法区)：即我们常说的永久代(Permanent Generation), 用于存储被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据. HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法区, 即使用Java堆的永久代来实现方法区, 这样HotSpot的垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理这部分内存, 而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载, 因此收益一般很小)

PS：可以理解为存放类的一些常量，静态变量的区域

线程私有的内存区域的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的消亡而消亡，随便不需要进行垃圾回收，而线程共享（堆和方法区）的内存区域随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁.所以要进行垃圾回收，具体的垃圾回收原理在下一节中会有讲解（参考：http://www.cnblogs.com/zwt1990/p/8322376.html）

Part2：JVM类加载机制

概述：JVM要想执行class文件，需要经过类加载器加载，将文件载入虚拟机的方法区内，根据类文件的格式相应的存放数据。在需要产生对象时，从方法区中获取对应的类信息，在堆中建立对象。

加载过程（如上图）

1.装载:查找和导入class文件;

2.连接:

(1)检查:检查载入的class文件数据的正确性;

(2)准备: 准备阶段是为类的静态变量分配内存并将其初始化为默认值，这些内存都将在方法区中进行分配。准备阶段不分配类中的实例变量的内存，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

(3)解析:将符号引用转换成直接引用(这一步是可选的)

3.初始化:类初始化是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。

其中，加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班的“开始”（仅仅指的是开始，而非执行或者结束，因为这些阶段通常都是互相交叉的混合进行，通常会在一个阶段执行的过程中调用或者激活另一个阶段），而解析阶段则不一定（它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。

类加载的几个时机

1.创建类的实例

2.访问类的静态变量

3.访问类的静态方法

4.反射如(Class.forName("my.xyz.Test") ClassRoader)

5.当初始化一个类时，发现其父类还未初始化，则先出发父类的初始化

6.虚拟机启动时，定义了main()方法的那个类先初始化

双亲委托模式

当类加载器需要加载类的时候，先请示其Parent(即上一层加载器)在其搜索路径载入，如果找不到，才在自己的搜索路径搜索该类。这样的顺序其实就是加载器层次上自顶而下的搜索，因为加载器必须保证基础类的加载。之所以是这种机制，还有一个安全上的考虑：如果某人将一个恶意重写的基础类加载到jvm，委托模型机制会搜索其父类加载器，发现已经存在就不会加载。

1.Bootstrap class loader （引导类加载器）

　　负责加载Java核心类库。在jre\lib目录下，包括rt.jar（Java基础类库），这些

都是Java的核心类库。而且这个加载器是由C语言编写的，所以在Java程序中是获取

不到的。

2.Extension class loader（扩展类加载器）

　　负责加载Java平台下扩展功能的jar包，这些jar包在jre\lib\ext目录下。这个加载

器由Java语言编写的。

3.System class loader（系统类加载器）

　　负责加载classpath目录下的所有类库，classpath目录下的class文件一般

是我们自己写的java文件编译后的。而这个加载器是由Java语言写的

委托机制的意义 — 防止内存中出现多份同样的字节码

1. 比如两个类A和类B都要加载System类：

   • 如果不用委托而是自己加载自己的，那么类A就会加载一份System字节码，然后类B又会加载一份System字节码，这样内存中就出现了两份System字节码。
   • 如果使用委托机制，会递归的向父类查找，也就是首选用Bootstrap尝试加载，如果找不到再向下。这里的System就能在Bootstrap中找到然后加载，如果此时类B也要加载System，也从Bootstrap开始，此时Bootstrap发现已经加载过了System那么直接返回内存中的System即可而不需要重新加载，这样内存中就只有一份System的字节码了。

看一个例子

lass SingleTon {
    private static SingleTon singleTon = new SingleTon();
    public static int count1;
    public static int count2 = 0;  

    private SingleTon() {
        count1++;
        count2++;
    }  

    public static SingleTon getInstance() {
        return singleTon;
    }
}  

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance();
        System.out.println("count1=" + singleTon.count1);
        System.out.println("count2=" + singleTon.count2);
    }
}  

最终输出结果是 ：

count1=1

count2=0

我们从类的加载机制分析：
1：执行main方法的时候SingleTon.getInstance()方法会进行类加载，在类加载准备阶段，jvm会为静态变量分配内存并初始化默认值（上面代码：singleTon = null ;count1 =0  ; count2=0;）
2：准备阶段过后，进入初始化阶段，常量池内的符号引用替换为直接引用的过程（上诉代码：给静态变量赋值  singleTon=new SingleTon(),执行构造方法，count1=1;count2=1；继续给静态变量赋值:count1不变，count2=0）　

 根据类加载以及双亲委派模式我们得到以下一个规则

  代码执行顺序： 静态变量、静态初始化块）–>（变量、初始化块）–> 构造器；如果有父类，则顺序是：父类static方法 –> 子类static方法 –> 父类构造方法- -> 子类构造方法

 总结：JVM内存结构和类加载机制我们主要是去了解它的类的存储方式以及加载的过程（双亲委托模式）