JVM 内存模型与垃圾回收机制详解

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jvm内存模型

  • 元空间（Metaspace）：JDK1.8之后取代PermGen（永久代），存储类元数据，包括类的结构、方法、常量池、字段信息、静态变量等，不再使用JVM 堆内存，而是直接使用本地内存（也就是操作系统的内存）。因此Metaspace可以扩展到更大的内存空间，而不受堆内存限制。
  • 堆（Heap）：堆分为年轻代（Young Generation）和 老年代（Old Generation）。
  • 栈（Stack）：每个线程都有一个私有的栈，栈中存储的是栈帧。栈帧包含：局部变量表（存储方法的参数、局部变量、返回值等），操作数栈（执行方法的计算和操作）， 动态链接（方法调用时的符号引用），方法返回地址（用于标识方法执行完毕后返回的地址）。
  • 本地方法栈（Native Stack）：与栈类似，但是它存储的是 Native 方法（即由 Java 调用的本地方法）的相关信息。
  • 程序计数器（PC Register）：每个线程都有一个独立的程序计数器，用于记录当前线程执行的 字节码指令的地址。在多线程环境下，JVM 使用该寄存器来追踪线程执行的位置。

类加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）<-扩展类加载器（Extension ClassLoader）<-系统类加载器（System ClassLoader）< -自定义类加载器（Custom ClassLoader）

  1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

    作用：负责加载JRE（Java Runtime Environment）中的核心类库，通常是JDK中的rt.jar（包含了所有的核心Java类，如java.lang.*包中的类）。

    实现：启动类加载器是由本地代码实现的，因此它是JVM中的最顶层加载器，并且通常是一个由C++编写的本地类加载器。它并不是java.lang.ClassLoader类的子类。

    职责：加载JDK内部的核心类，像java.lang.Object、java.lang.String、java.util.* 等。

  2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

    作用：负责加载JRE中的扩展库，即ext目录中的类库。扩展库通常位于$JAVA_HOME/lib/ext目录下，或者是由java.ext.dirs系统属性指定的路径。

    实现：扩展类加载器是由 ClassLoader 类的子类 URLClassLoader 实现的，并且它会依赖于启动类加载器。

    职责：加载扩展 JDK 类库（比如 javax.、org.xml. 等）。

  3. 系统类加载器（System ClassLoader）

    作用：也叫做应用类加载器，负责加载应用程序的类路径（classpath）中指定的类。

    实现：系统类加载器是ClassLoader类的一个实例，它通过读取classpath中指定的路径加载类文件。通常这些类是我们在项目中开发的类。

    职责：加载应用程序中的类，通常由-classpath或-cp参数指定，或者是CLASSPATH环境变量指定的路径。

  4. 自定义类加载器（Custom ClassLoader）

    作用：开发者可以自定义类加载器以满足特定的需求。通常情况下，自定义类加载器可以扩展ClassLoader类，并重写findClass和loadClass方法来实现自定义的类加载行为。

    实现：自定义类加载器通常用于动态加载某些特定路径下的类，或者在特殊环境下加载类，例如，JSP的动态加载、插件机制、Web容器的类加载等。

    职责：通过重写类加载的逻辑来满足特定应用的需求，如加载特定路径的类、支持热部署等。

双亲委派模型

工作原理如下：

  1. 类加载请求：当一个类加载器接收到加载某个类的请求时，它不会立即去加载该类，而是会将这个请求委托给它的父类加载器先去处理。

  2. 父类加载器加载：父类加载器会尝试加载这个类。如果父类加载器可以成功加载该类，它就直接返回该类。如果父类加载器不能加载该类，它就会将加载请求委托给它的父类加载器，直到最终委托到 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader） 为止。

  3. 加载成功：一旦某个加载器成功加载了这个类，它会将类加载到JVM内存中，并返回该类。

  4. 当前加载器加载：如果父类加载器无法加载该类（即父类加载器没有找到该类），那么当前类加载器会尝试自己加载这个类。

优点：

  1. 避免重复加载类：确保类在整个JVM中只加载一次，避免了不同类加载器加载同一个类的冲突。

  2. 保证核心类的安全性：通过将核心类（如 java.lang.* 包中的类）委派给顶层的启动类加载器加载，防止了用户自定义类加载器覆盖核心类。

  3. 增强了系统的可扩展性：通过这种层次化加载的机制，Java可以方便地通过不同的类加载器来加载不同来源的类，实现模块化和插件化的设计。

引用类型有哪些？

分为强软弱虚四种

  • 强引用：最常见的引用类型，例如：new Object()，强引用关联的对象，一定不会被GC
  • 软引用：SoftReference，在内存紧张时可能被回收
  • 弱引用：WeakReference，垃圾回收时一定会被回收
  • 虚引用（幻影引用）：PhantomReference，必须与 引用队列 (ReferenceQueue) 一起使用，用来在对象被垃圾回收前做一些清理工作，垃圾回收时一定会被回收

垃圾回收算法

标记-清除算法（Mark-and-Sweep）

分为两个阶段

  1. 标记所有活跃的对象，即从根对象（GC Roots）开始遍历，标记所有可达的对象。
  2. 遍历堆内存，回收所有没有被标记的对象（即不可达对象）。

优点：

  • 实现简单，容易理解。
  • 适用于所有类型的垃圾回收。

缺点：

  • 效率低：标记阶段和清除阶段的遍历需要分别一次，整个过程效率较低。
  • 内存碎片：清除后的内存空间可能不连续，导致内存碎片。

复制算法（Copying）

通过将堆内存划分为两部分：一个活跃区（使用区）和一个空闲区。每次进行垃圾回收时，只有一个区域使用，另一个区域空闲。垃圾回收时，会将存活的对象从当前区域复制到另一个空闲区域。

优点：

  • 没有内存碎片，因为只会将存活对象复制到空闲区域。
  • 清理速度较快，因为只需遍历一部分内存。

缺点：

  • 需要额外的内存空间（必须有一块空闲的区域）。
  • 对大对象不友好，复制过程可能造成额外的性能开销。

应用：

年轻代的垃圾回收：在JVM中，年轻代通常采用复制算法，分为From Space和To Space。年轻代垃圾回收（Minor GC）时，将存活的对象从 From Space复制到To Space。

标记-整理算法（Mark-Compact）

标记-清除算法的改进版。它在标记阶段与标记-清除算法一样，标记所有存活的对象。然后在整理阶段，将存活对象压缩到堆的一端，清理掉堆的另一端的内存空间。

优点：

  • 不会产生内存碎片，因为所有存活对象会被移动到堆的一端。
  • 回收过程比标记-清除算法更加高效。

缺点：

  • 对存活对象的移动会带来额外的性能开销。
  • 需要重新调整对象的引用。

应用：

老年代的垃圾回收：在老年代的垃圾回收中，JVM可以采用标记-整理算法。标记-整理算法通过压缩对象，避免内存碎片的产生。

分代收集算法（Generational Collection）

分代收集算法是现代垃圾回收算法的核心思想，基于大多数对象很快就变得不可达这一事实，JVM将堆内存划分为多个区域（一般分为 年轻代 和 老年代）进行垃圾回收。分代收集算法结合了复制算法和标记-清除算法，根据不同的内存区域选择最合适的回收策略。

优点：

  • 根据对象的生命周期和存活率，合理分配资源。年轻代和老年代使用不同的垃圾回收策略。
  • 提高了垃圾回收的效率，减少了暂停时间。

缺点：

  • 对大对象不友好，可能导致内存碎片。
  • 较复杂的内存管理，需要管理多个区域。

应用：

  • 年轻代：通常采用 复制算法，因为大多数对象在创建后很快就会变得不可达。
  • 老年代：通常采用 标记-清除 或 标记-整理算法，因为大多数对象在老年代存活时间较长。

垃圾回收器

G1 的回收阶段：

  1. 初始标记：标记出所有GC Root可达的对象，会STW
  2. 并发标记：G1会并发地标记所有从GC Root可达的对象，包括可达对象的引用链，不会STW
  3. 最终标记：G1 会修正并发标记阶段可能出现的变动（例如对象的引用关系变化），会STW
  4. 筛选回收：标记-复制，其中转移阶段需要分配新内存和复制对象的成员变量。转移阶段会STW