图解 | JVM的11个核心知识

大家好，我是田哥

最近很多人都在面试，都在问如何快速复习JVM，本文就采用文字+图的形式来解说JVM，希望对你有所帮助。

第1组：JDK、JRE、JVM的关系

JDK中包含JRE，也包括JDK，而JRE也包括JDK。

范围关系：JDK>JRE>JVM。

具体见下图：

第2组：.java文件与.class文件的关系

这两者的关系需要两张图才能说明白：

第3组：class文件与JVM的关系

JVM通过类加载机制，把class文件装载进JVM中，然后JVM解析class文件的内容，于是就有了类加载过中的链接、初始化等。

第4组：类加载器关系

一张图来说明：

第5组：方法区、堆、栈之间到底有什么关系

直接上图：

栈指向堆

如果在栈帧中有一个变量，类型为引用类型，比如：

package com.tian.my_code.test;

public class JvmCodeDemo {
    public  Object testGC(){
        int op1 = 10;
        int op2 = 3;
        Object obj = new Object();
        Object result=obj;
        return result;
    }
}

这时候就是典型的栈中元素obj指向堆中的Object对象，result的指向和obj的指向为同一个对象。

使用命令

javac -g:vars JvmCodeDemo.java

进行编译，然后再使用

javap -v JvmCodeDemo.class >log.txt

然后打开log.txt文件

方法区指向堆

方法区中会存放静态变量，常量等数据。

如果是下面这种情况，就是典型的方法区中元素指向堆中的对象。

堆指向方法区

方法区中会包含类的信息，对象保存再堆中，创建一个对象的前提是有对应的类信息，这个类信息就在方法区中。

第6组：Minor、Major、Full GC的关系

Minor GC：发生在年轻代的 GC。

• Minor GC是指从年轻代空间（包括 Eden 和 Survivor 区域）回收内存。当 JVM 无法为一个新的对象分配空间时会触发Minor GC，比如当 Eden 区满了。
• Eden区满了触发MinorGC，这时会把Eden区存活的对象复制到Survivor区，当对象在Survivor区熬过一定次数的MinorGC之后，就会晋升到老年代（当然并不是所有的对象都是这样晋升的到老年代的），当老年代满了，就会报OutofMemory异常。
• 所有的MinorGC都会触发全世界的暂停（stop-the-world），停止应用程序的线程，不过这个过程非常短暂。

Major GC：发生在老年代的 GC。

• Major GC清理Tenured区(老年代)。

Full GC：新生代+老年代，比如 方法区引起年轻代和老年代的回收。

第7组：Survivor与Eden的关系

对于这两者，最重要的是要明白为什么需要Survivor区?只有Eden不行吗？

如果没有Survivor,Eden区每进行一次Minor GC ,并且没有年龄限制的话， 存活的对象就会被送到老年代。这样一来，老年代很快被填满,触发Major GC(因为Major GC一般伴随着Minor GC，也可以看做触发了Full GC)。老年代的内存空间远大于新生代，进行一次Full GC消耗的时间比Minor GC长得多。

执行时间长有什么坏处?

频发的Full GC消耗的时间很长,会影响大型程序的执行和响应速度。

可能你会说，那就对老年代的空间进行增加或者较少咯。

假如增加老年代空间，更多存活对象才能填满老年代。虽然降低Full GC频率，但是随着老年代空间加大,一旦发生Full GC,执行所需要的时间更长。

假如减少老年代空间，虽然Full GC所需时间减少，但是老年代很快被存活对象填满,Full GC频率增加。

所以Survivor的存在意义，就是减少被送到老年代的对象,进而减少Full GC的发生,Survivor的预筛选保证,只有经历16 次Minor GC还能在新生代中存活的对象,才会被送到老年代。

第8组：引用计数法和可达性分享算法的关系

引用计数法

给对象添加一个引用计数器，每当一个地方引用它object时技术加1，引用失去以后就减1，计数为0说明不再引用

• 优点：实现简单，判定效率高
• 缺点：无法解决对象相互循环引用的问题，对象A中引用了对象B，对象B中引用对象A。

public class A {
    public B b; 
}
public class B {
    public C c; 
}
public class C {
    public A a; 
}
public class Test{
    
    private void test(){
        A a = new A();
        B b = new B();
        C c = new C();
        
        a.b=b;
        b.c=c;
        c.a=a;
    }
}

可达性分析算法

当一个对象到GC Roots没有引用链相连，即就是GC Roots到这个对象不可达时，证明对象不可用。

GC Roots种类:

❝Java 线程中，当前所有正在被调用的方法的引用类型参数、局部变量、临时值等。也就是与我们栈帧相关的各种引用。所有当前被加载的 Java 类。Java 类的引用类型静态变量。运行时常量池里的引用类型常量（String 或 Class 类型）。JVM 内部数据结构的一些引用，比如 sun.jvm.hotspot.memory.Universe 类。用于同步的监控对象，比如调用了对象的 wait() 方法。 ❞

第9组：对象的引用类型的关系

• 强引用：User user=new User()；我们开发中使用最多的对象引用方式。 特点：我们平常典型编码Object obj = new Object()中的obj就是强引用。 通过关键字new创建的对象所关联的引用就是强引用。 当JVM内存空间不足，JVM宁愿抛出OutOfMemoryError运行时错误（OOM），使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的“存活”对象来解决内存不足的问题。 对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应（强）引用赋值为 null，就是可以被垃圾收集的了，具体回收时机还是要看垃圾收集策略。
• 软引用：SoftReference<Object> object=new SoftReference<Object>(new Object()); 特点：软引用通过SoftReference类实现。软引用的生命周期比强引用短一些。只有当 JVM 认为内存不足时，才会去试图回收软引用指向的对象：即JVM 会确保在抛出 OutOfMemoryError 之前，清理软引用指向的对象。软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收器回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。后续，我们可以调用ReferenceQueue的poll()方法来检查是否有它所关心的对象被回收。如果队列为空，将返回一个null,否则该方法返回队列中前面的一个Reference对象。 应用场景：软引用通常用来实现内存敏感的缓存。如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存
• 弱引用：WeakReference<Object> object=new WeakReference<Object> (new Object();ThreadLocal中有使用. 弱引用通过WeakReference类实现。弱引用的生命周期比软引用短。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快回收弱引用的对象。 弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。应用场景：弱应用同样可用于内存敏感的缓存。
• 虚引用：几乎没见过使用， ReferenceQueue 、PhantomReference。

第10组：垃圾回收算法的关系

标记-清除算法

第一步：就是找出活跃的对象。我们反复强调 GC 过程是逆向的， 根据 GC Roots 遍历所有的可达对象，这个过程，就叫作标记。

第二部：除了上面标记出来的对象以外，其余的都清楚掉。

• 缺点：标记和清除效率不高，标记和清除之后会产生大量不连续的内存碎片

复制算法

新生代使用，新生代分中Eden:S0:S1= 8:1:1，其中后面的1:1就是用来复制的。

当其中一块内存使用完了，就将还存活的对象复制到另外一块上面，然后把已经使用过的内存空间一次 清除掉。

一般对象分配都是进入新生代的eden区，如果Minor GC还存活则进入S0区，S0和S1不断对象进行复制。对象存活年龄最大默认是15，大对象进来可能因为新生代不存在连续空间，所以会直接接入老年代。任何使用都有新生代的10%是空着的。

• 缺点：对象存活率高时，复制效率会较低，浪费内存。

标记整理算法

它的主要思路，就是移动所有存活的对象，且按照内存地址顺序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。 但是需要注意，这只是一个理想状态。对象的引用关系一般都是非常复杂的，我们这里不对具体的算法进行描述。我们只需要了解，从效率上来说，一般整理算法是要低于复制算法的。这个算法是规避了内存碎片和内存浪费。

让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

从上面的三个算法来看，其实没有绝对最好的回收算法，只有最适合的算法。

第11组：垃圾收集器之间有什么关系

「新生代收集器」：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

「老年代收集器」：CMS、Serial Old、Parallel Old

「整堆收集器」：G1，ZGC(因为不涉年代不在图中)

好了，本文就分享到这里，希望能帮助你更好的理解JVM核心知识。

技术栈：Spring Boot+Dubbo+Zookeeper+Redis+RabbitMQ+MyBatis+MySQL，第一版已经接近尾声，接下就是把这个项目文档化，需求、系统设计、表结构设计、技术难点等。分布式锁、分布式缓存、分布式session、分库分表等在项目中的应用。

然后，可以拿着这个项目进行改造，或重构成Spring Cloud（我后面也会重构的）