Jvm工作原理學習筆記
一、 JVM的生命周期
1. JVM實例對應了一個獨立運行的java程序它是進程級別
a) 啟動。啟動一個Java程序時，一個JVM實例就產生了，任何一個擁有public static void main(String[] args)函數的class都可以作為JVM實例運行的起點
b) 運行。main()作為該程序初始線程的起點，任何其他線程均由該線程啟動。JVM內部有兩種線程：守護線程和非守護線程，main()屬于非守護線程，守護線程通常由JVM自己使用，java程序也可以標明自己創建的線程是守護線程
c) 消亡。當程序中的所有非守護線程都終止時，JVM才退出；若安全管理器允許，程序也可以使用Runtime類或者System.exit()來退出
2. JVM執行引擎實例則對應了屬于用戶運行程序的線程它是線程級別的
二、 JVM的體系結構
1. 類裝載器（ClassLoader）（用來裝載.class文件）
2. 執行引擎（執行字節碼，或者執行本地方法）
3. 運行時數據區（方法區、堆、java棧、PC寄存器、本地方法棧）
三、 JVM類加載器
JVM整個類加載過程的步驟：
1. 裝載
裝載過程負責找到二進制字節碼并加載至JVM中，JVM通過類名、類所在的包名通過ClassLoader來完成類的加載，同樣，也采用以上三個元素來標識一個被加載了的類：類名+
包名+ClassLoader實例ID。
2. 鏈接
鏈接過程負責對二進制字節碼的格式進行校驗、初始化裝載類中的靜態變量以及解析類中調用的接口、類。
完成校驗后，JVM初始化類中的靜態變量，并將其值賦為默認值。
最后對類中的所有屬性、方法進行驗證，以確保其需要調用的屬性、方法存在，以及具備應的權限（例如public、private域權限等），會造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤信息。
3. 初始化
初始化過程即為執行類中的靜態初始化代碼、構造器代碼以及靜態屬性的初始化，在四種情況下初始化過程會被觸發執行：
調用了new；
反射調用了類中的方法；
子類調用了初始化；
JVM啟動過程中指定的初始化類。
JVM類加載順序：
JVM兩種類裝載器包括：啟動類裝載器和用戶自定義類裝載器。
啟動類裝載器是JVM實現的一部分；
用戶自定義類裝載器則是Java程序的一部分，必須是ClassLoader類的子類。
JVM裝載順序：
Jvm啟動時，由Bootstrap向User-Defined方向加載類；
應用進行ClassLoader時，由User-Defined向Bootstrap方向查找并加載類；
1. Bootstrap ClassLoader
這是JVM的根ClassLoader，它是用C++實現的，JVM啟動時初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的實現）中所有class文件的加載，這個jar中包含了java規范定義的所有接口以及實現。
2. Extension ClassLoader
JVM用此classloader來加載擴展功能的一些jar包。
3. System ClassLoader
JVM用此classloader來加載啟動參數中指定的Classpath中的jar包以及目錄，在Sun JDK中ClassLoader對應的類名為AppClassLoader。
4. User-Defined ClassLoader
User-DefinedClassLoader是Java開發人員繼承ClassLoader抽象類自行實現的ClassLoader，基于自定義的ClassLoader可用于加載非Classpath中的jar以及目錄。
ClassLoader抽象類的幾個關鍵方法：
（1） loadClass
此方法負責加載指定名字的類，ClassLoader的實現方法為先從已經加載的類中尋找，如沒有則繼續從parent ClassLoader中尋找，如仍然沒找到，則從System ClassLoader中尋找，最后再調用findClass方法來尋找，如要改變類的加載順序，則可覆蓋此方法
（2） findLoadedClass
此方法負責從當前ClassLoader實例對象的緩存中尋找已加載的類，調用的為native的方法。
（3） findClass
此方法直接拋出ClassNotFoundException，因此需要通過覆蓋loadClass或此方法來以自定義的方式加載相應的類。
（4） findSystemClass
此方法負責從System ClassLoader中尋找類，如未找到，則繼續從Bootstrap ClassLoader中尋找，如仍然為找到，則返回null。
（5） defineClass
此方法負責將二進制的字節碼轉換為Class對象
（6） resolveClass
此方法負責完成Class對象的鏈接，如已鏈接過，則會直接返回。
四、 JVM執行引擎
在執行方法時JVM提供了四種指令來執行：
（1）invokestatic：調用類的static方法
（2）invokevirtual：調用對象實例的方法
（3）invokeinterface：將屬性定義為接口來進行調用
（4）invokespecial：JVM對于初始化對象（Java構造器的方法為：<init>）以及調用對象實例中的私有方法時。
主要的執行技術有:
解釋，即時編譯，自適應優化、芯片級直接執行
（1）解釋屬于第一代JVM，
（2）即時編譯JIT屬于第二代JVM，
（3）自適應優化（目前Sun的HotspotJVM采用這種技術）則吸取第一代JVM和第二代
JVM的經驗，采用兩者結合的方式
開始對所有的代碼都采取解釋執行的方式，并監視代碼執行情況，然后對那些經常調用的方法啟動一個后臺線程，將其編譯為本地代碼，并進行優化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過的代碼，仍對其進行解釋執行。
五、 JVM運行時數據區
第一塊：PC寄存器
PC寄存器是用于存儲每個線程下一步將執行的JVM指令，如該方法為native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。
第二塊：JVM棧
JVM棧是線程私有的，每個線程創建的同時都會創建JVM棧，JVM棧中存放的為當前線程中局部基本類型的變量（java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回結果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆上的地址
第三塊：堆（Heap）
它是JVM用來存儲對象實例以及數組值的區域，可以認為Java中所有通過new創建的對象的內存都在此分配，Heap中的對象的內存需要等待GC進行回收。
（1） 堆是JVM中所有線程共享的，因此在其上進行對象內存的分配均需要進行加鎖，這也導致了new對象的開銷是比較大的
（2） Sun Hotspot JVM為了提升對象內存分配的效率，對于所創建的線程都會分配一塊獨立的空間TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根據運行的情況計算而得，在TLAB上分配對象時不需要加鎖，因此JVM在給線程的對象分配內存時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對象內存的性能和C基本是一樣高效的，但如果對象過大的話則仍然是直接使用堆空間分配
（3） TLAB僅作用于新生代的Eden Space，因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效。
第四塊：方法區域（Method Area）
（1）在Sun JDK中這塊區域對應的為PermanetGeneration，又稱為持久代。
（2）方法區域存放了所加載的類的信息（名稱、修飾符等）、類中的靜態變量、類中定義為final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發人員在程序中通過Class
對象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時，這些數據都來源于方法區域，同時方法區域也是全局共享的，在一定的條件下它也會被GC，當方法區域需要使用的內存超過其允許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤信息。
第五塊：運行時常量池（Runtime Constant Pool）
存放的為類中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區域中分配。
第六塊：本地方法堆棧（Native Method Stacks）
JVM采用本地方法堆棧來支持native方法的執行，此區域用于存儲每個native方法調用的狀態。
六、 JVM垃圾回收
GC的基本原理：將內存中不再被使用的對象進行回收，GC中用于回收的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時間，Java在對對象的生命周期特征進行分析后，按照新生代、舊生代的方式來對對象進行收集，以盡可能的縮短GC對應用造成的暫停
（1）對新生代的對象的收集稱為minor GC；
（2）對舊生代的對象的收集稱為Full GC；
（3）程序中主動調用System.gc()強制執行的GC為Full GC。
不同的對象引用類型， GC會采用不同的方法進行回收，JVM對象的引用分為了四種類型：
（1）強引用：默認情況下，對象采用的均為強引用（這個對象的實例沒有其他對象引用，GC時才會被回收）
（2）軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場景的應用（只有在內存不夠用的情況下才會被GC）
（3）弱引用：在GC時一定會被GC回收
（4）虛引用：由于虛引用只是用來得知對象是否被GC