第一章 JVM
1.JVM运行机制
JVM定义：
运行Java字节码的虚拟机。
Java运行过程：
- Java源文件(.java)被编译器编译成字节码(.class)文件
- JVM将字节码编译成对应操作系统的机器码
- 机器码调用对应系统的本地方法库执行相应方法
JVM包括：
- 类加载子系统 Class Loader SubSystem
- 运行时数据区 Runtime Data Area
- 执行引擎
- 本地接口库 Native Interface Library （本地接口库通过调用本地方法库与OS交互
上图中：
- 类加载器子系统将.Class文件加载到JVM中
- 运行时数据区存储JVM运行时产生的数据
- 执行引擎包括
- 即时编译器：将.Class编译成机器码
- 垃圾回收器：回收不再使用的对象
- 本地方法库调用OS本地方法库完成指令操作
2.JVM线程
JVM后台运行线程：
- 虚拟机线程 JVM Thread
- 在JVM到达安全点（SafePoint）时出现
- 周期性任务线程
- 通过 定时器 来调度 线程，实现周期性任务执行
- GC线程
- 用于垃圾回收
- 编译器线程
- 将.Class动态编译成机器码
- 信号分发线程
- 接收发送给JVM的信号并调用JVM
3.JVM内存区域
JVM内存分为：
- 线程私有区域
- 程序计数器
- 虚拟机栈
- 本地方法区
- 线程共享区域
- 堆
- 方法区
- 直接内存
上图中：
- 线程私有区域：
- 生命周期与线程相同，同生共死。
- 线程共享区域：
- 与JVM同生共死。
- 直接内存：
- 又称堆外内存。
- JDK的NIO就是基于堆外内存实现。
- Java进程可以通过堆外内存技术避免在Java堆与Native来回复制数据带来资源浪费与性能损耗。
- 因此在高并发场景广泛使用（Netty、Flink、HBase、Hadoop
3.1 程序计数器
程序计数器：
- 用于存储当前线程执行的字节码行号指示器
- 属于线程私有内存区域，唯一没有内存溢出（OOM）问题的区域
3.2.JVM栈
JVM栈：
- 描述方法执行过程的内存模型
- 在当前栈帧中存储局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等信息
栈帧：
- 存储部分运行数据及数据结构
- 处理动态链接方法返回值和异常分派
- 记录方法执行过程。
- 方法执行时JVM会创建对应的栈帧。
- 方法执行和返回对应栈帧在JVM栈中的入栈与出栈。
上图：
- 线程1在CPU1执行
- 线程2在CPU2执行
- 线程N在等待获取CPU时间片
- 每个方法的执行对应一个栈帧
- 每个线程只能存在一个活动的栈帧
3.3.本地方法区
本地方法区与JVM栈类似
不同的是
- JVM栈为Java方法服务
- 本地方法为Native方法服务
3.4.堆
- JVM运行产生的对象和数据存储在堆中
- 堆是线程共享的内存区域
- 是垃圾回收器进行垃圾回收的最主要区域
- 由于现代JVM采用分代收集算法，因此堆从GC角度还可以分为：
- 新生代
- 老年代
- 永久代
3.5.方法区
被称为永久代，存储存储常量、静态变量、类信息、机器码、运行时常量池等数据。
4.JVM运行时内存
- 也叫JVM堆
- GC角度分为新生代（占1/3）、老年代（占2/3）和永久代（占很少）。新生代又分为3个区。
4.1.新生代
新生代
- 新建对象存放区域（大对象除外）
- 由于JVM频繁创建对象，新生代会频繁GC
- 新生代GC算法叫做复制算法
Eden区
新建对象首先存放区，如果是大对象，会放在老年代。
SurvivorFrom区
将上次GC幸存者作为这次GC扫描对象
SurvivorTo区
保留上次GC幸存者
新生代GC过程：
- 将Eden区和SurvivorFrom区存活对象复制到SurvivorTo区中。如果对象年龄太大或SurvivorTo区内存不够或是大对象，则直接复制到老年代中。
- 清空Eden区和SurvivorFrom区对象
- 将SurvivorTo区与SurvivorFrom区互换，原先的SurvivorTo区成为下次GC的SurvivorFrom区
4.2.老年代
- 存储长生命周期对象与大对象
- 对象比较稳定，不会频繁GC
- 老年代GC算法叫做标记清除算法
- 首先扫描所有对象并标记存活对象，然后回收未标记对象。
- 老年代GC时间长
- 老年代没有内存可分配时，会抛出OOM
4.3.永久代
永久代
- 意味内存永久保留区域
- 主要存放Class和元数据
- 运行时不会被GC，因此永久代内存随着Class文件增加而增加，加载过多Class文件会抛出OOM。比如Tomcat引用Jar文件过多导致无法启动
- Java8中，永久代被元数据区取代。
永久代与元数据区区别
元数据区没有使用JVM内存，而是使用OS内存。因此元数据内存不再被JVM内存限制，只和OS内存有关
5.垃圾回收算法
1.5.1如何确定垃圾
通过引用计数法和可达性分析来判断对象是否可回收。
引用计数法
- Java如果操作一个对象，就要获得对象的引用。
- 为对象添加引用时，引用计数+1。
- 减少一个引用时，引用计数-1。
- 当引用计数为0，说明对象没有被引用，可被回收。
- 引用计数法会导致循环引用问题，当两个对象相互引用时，就不能被回收。
可达性分析
- 为解决引用计数的循环引用问题而设计
- 定义一些GC ROOTS对象，以这些GC ROOTS对象作为起点，向下搜索。
- 如果一个对象和GC ROOTS没有可达路径，则称这个对象不可达。
- 不可达对象被两次标记后回收。
1.5.2.Java中常用GC算法
标记清除法、复制法、标记整理法、分代收集法
标记清除法
- 基础GC算法
- 分为标记和清除两阶段
- 标记阶段标记，清除阶段回收
标记清除法的问题：
如果回收小对象过多，会引起内存碎片化，导致大对象无法获取连续可用内存问题。
复制算法
为解决标记算法内存碎片问题而设计
将内存划分为相等内存区，即区域1和区域2。
新对象放在区域1中，区域1满了就将区域1对象标记，将标记后存活对象复制到区域2中。清空区域1。
复制算法问题：
每次只用一般内存，浪费空间。
区域1与区域2来回复制影响性能。
标记整理算法
-
结合上面两个算法优点。
-
标记阶段和标记清除算法一样。
-
清除阶段和复制算法一样。将存活对象移到内存另一个区域。
分代收集算法
-
上面3个算法都无法对所有类型对象回收（长生命对象、短生命对象、大对象、小对象）。
-
因此针对不同对象，设计了分代收集算法。
-
新生代存放新对象，数量多，生命短，每次GC都大量被回收。采用复制算法。
-
老年代存放大对象，生命长，被GC数量少。采用标记清除算法。
6.Java中的4种引用类型
- 强引用
- 将一个对象赋值给另一个对象时。强引用一定会为可达性，因此不会被GC。强引用也是造成内存泄漏的主要原因。
- 软引用
- 通过SoftReference类实现。系统内存不足时会被回收。
- 弱引用
- 通过WeakReference类实现。GC过程中一定会被回收。
- 虚引用
- 通过PhantomReference类实现，虚引用和引用队列一起使用，用于追踪对象的垃圾回收状态。
7.分代收集算法和分区收集算法
- 分代收集算法
- 新生代用复制算法
- 老年代用标记整理算法
- 分区收集算法
- 将堆内存划分为连续大小不等的小区域，每个小区域单独运行与GC。
- 好处是根据每个小区域灵活使用使用和释放内存。
8.垃圾收集器
Java堆内存分为新生代与老年代。新生代用复制算法进行GC。老年代用标记整理进行GC。
因此JVM为新生代和老年代提供了不同的GC器。
Serial：
新生代，单线程，复制算法
ParNew:
新生代，多线程，复制算法
Parallel Scavenge：
新生代，多线程，复制算法
Serial Old:
老年代，单线程，标记整理算法。配合Serial使用
Parallel Old:
老年代，多线程，标记整理算法。配合Parallel Scavenge使用
CMS:
老年代，多线程，标记清除算法。
机制复杂：
初始标记：只标记和GC Roots直接关联对象。需要暂停工作线程。
并发标记：用用户线程一起工作，执行GC Roots跟踪标记过程
重新标记：在并发标记过程中，用户线程运行导致对象状态变化，需要暂停工作线程并且重新标记。
并发清除：和用户线程一起工作，执行清除GC Roots不可达对象任务。
G1：
将堆内存划分为大小固定的独立区域，后台维护优先级表。优先回收垃圾最多区域。
相对于CMS改进：
基于标记整理算法，不产生内存碎片
在不牺牲吞吐量前提下实现最短停顿垃圾回收
9.网络编程
1.阻塞IO
读写数据时会发生阻塞。
工作流程：
用户线程发出IO请求，内核检查数据是否就绪，用户线程阻塞等待数据就绪；
数据就绪后，内核将数据复制到用户线程中，返回IO执行结果到用户线程，用户线程解除阻塞开始处理数据。
2.非阻塞IO
用户线程发出IO请求，无须阻塞就可以得到内核返回结果。内核返回false，没准备好，需要稍后发起IO操作。
一旦数据准备好，并且再次收到用户线程请求，内核就将数据复制到用户线程中并将结果通知用户线程。
在非阻塞IO中，用户线程需要不断询问内核数据是否就绪，在未就绪时可以处理其他任务。
3.多路复用IO
Java NIO模型基于此。会有一个Selector线程不断轮询多个Socket状态，在Socket有读写事件时，才通知用户线程进行IO操作。
多路复用IO可以一个线程管理多个Socket，并且只有真正Socket读写事件时才会使用操作系统的IO资源，节约资源。
4.信号驱动IO
用户线程发起IO操作，系统为该请求注册一个信号函数，然后用户线程处理其他任务；
当内核数据就绪时，系统发送信号给用户线程，用户线程会在信号函数中调用对应IO操作。
5.异步IO
用户线程不关心IO操作，只需要发起请求，接收到内核返回成功或失败信号时，说明IO操作完成，直接使用数据。
6.Java IO
5个类
File、OutputStream、InputStream、Writer、Reader
一个接口
Serializable
7.NIO
三个核心：Selector（选择器）、Channel（通道）、Buffer（缓存区）
Selector用于监听多个Channel事件
NIO与传统IO区别：
- IO面向流。NIO面向缓冲区，方便在缓存中对数据进行前后移动操作。
- 传统IO阻塞。NIO非阻塞。
Channel:
和流Stream类似，不同的是Stream单向，Channel双向。
Buffer：
一个容器，读写必须经过Buffer。
Selector:
选择器，检测多个注册的Channel是否有IO事件。一个Selector管理多个Channel。
10.JVM类加载机制
10.1.类加载阶段
分为：加载、验证、准备、解析、初始化
加载：
JVM读取Class文件，创建java.lang.Class对象
验证：
只有通过验证的Class文件才能被JVM加载
准备：
为方法区中的类变量分配内存空间并设置初始值
解析：
JVM将常量池中的符号引用替换为直接引用
初始化：
通过执行类构造器的<client>方法为类初始化。
10.2.类加载器
JVM提供3个：启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器
启动类加载器：
加载Java_HOME/lib目录中的类库
扩展类加载器：
加载Java_HOME/lib/ext目录中的类库
应用程序类加载器：
加载用户路径（classpath）中的类库
自定义的类加载器：
用户通过继承java.lang.ClassLoader自定义类加载器
10.3.双亲委派机制
JVM通过双亲委派对类加载。
双亲委派机制：类收到加载请求后，自己不会加载，而是委托给父类加载。其父类接收到委派请求后，又会委托给他的父类，依此类推。这样所有类的加载请求都委托给了启动类加载器。
若父类收到委派，发现自己也无法加载（通常由于该类的Class文件在父类的类加载路径不存在），会将该信息反馈给子类，向下委托。直到加载成功，否则报ClassNotFound。
双亲委派核心：保证类的唯一性与安全性。
双亲委派流程：
