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【Java ee初阶】jvm（3）

news 来源：原创 2025/7/27 21:33:18

一、双亲委派机制（类加载机制中，最经常考到的问题）

类加载的第一个环节中，根据类的全限定类名（包名+类名）找到对应的.class文件的过程。

JVM中进行类加载的操作，需要以来内部的模块“类加载器”（class loader）

JVM自带了三种类加载器

Bootstrap ClassLoader 负责在Java的标准库中进行查找

ExtensionClassLoader 负责在Java的扩展库中进行查找

ApplicationClassLoader 负责在Java的第三方库/当前项目中进行查找

其中，Java的扩展库是JDK自带的，但是不是标准约定的库，是JDK的厂商自行扩展的功能。现在很少涉及到，一般都是使用第三方库。

Java的官方（Oracle）推出Java的标准文档，其他的厂商就会依据官方的文档，开发对应的JDK（官方确实也开发了JDK，还有一些第三方的，比如知名的OpenJDK，比如知名大厂也会有自己版本的JDK）

不同厂商，都能保证，标准约定的功能都是包含的，并且表现一致。但是这些厂商也会根据需要，扩展出一些功能出来。

这三类加载器之间，存在“父子关系”（不是父类子类，继承关系），每个类加载器中有一个parent这样的属性，保存了自己的父亲是谁。这是在JVM的源码中已经写死的。

双亲委派模型的目的，是为了确保三个类加载的优先级：标准库优先加载，第三方库/当前项目类最后加载。比如自己写一个类，和标准库恰好重复了。java.lang.String。此时JVM保证加载的仍然是标准库的String，而不是你自己写的。

双亲委派模型也是可以打破的。程序员在特定场景下，也可以实现自己的类加载器（实现库/框架可能涉及到），自己实现的类加载器可以让他遵守，也可以不遵守。

二、JVM的垃圾回收机制 GC

C/C++ 这样的编程语言中，申请内存的时候，是需要用完了手动进行释放的

C 申请内存
1) 局部变量
2) 全局变量不需要手动释放
3) 动态申请 malloc 通过 free 进行释放的

C++ 申请内存
1) 局部变量
2) 全局变量 / 静态变量
3) 动态申请 new 通过 delete 进行释放

这样的释放操作，容易遗忘（执行不到）就会导致 “内存泄露”

malloc
free

逻辑代码
1) 条件判定触发 return
2) 抛出异常

很多编程语言，引入了垃圾回收机制
不需要程序员写代码手动释放内存，会有专门的逻辑，帮助自动进行释放
垃圾回收，大大的解放了程序员，提高了开发效率

Java, Python, Go, PHP, JS.... 大多数主流语言都包含 GC 功能

为啥 C/C++ 没有引入 GC 呢？
C++ 的设计的核心理念，有两个(C++ 的红线)
1) 和 C 兼容 (C 语言写的代码，用 C++ 编译器可以正常编译运行的)
2) 把性能发挥到极致
隔壁会有很多的技巧提高 "性能"
++i 代替 i++
通过返回右值引用代替返回值对象
通过引用传参代替值传参
通过 constexpr 增加编译期做的工作，减少运行时开销
...................

引入 GC 会影响性能，引入了额外的运行时开销。
很早之前，C++ 的标准委员会讨论这个事情。
C++ 引入了 "智能指针"，可以一定程度的解决内存泄露的问题。（虽然可用性，远不如 GC，总比 C 语言啥都不做，直接摆烂强

在对性能有要求的开发场景中 C++ 是无可替代的
AI
游戏引擎
搜索引擎 (现在 java 性能也赶上来不少，也有 java 实现的版本了...)
交易系统 (股票，基金，外汇，期货...)
操作系统级的开发
...................

挑战者，Rust，尝试挑战 C++ 的生态位
走高性能的路线

主打优势，能够很好的应对内存错误问题
(内存泄露，内存访问越界...)
Rust 通过特殊的语法，在编译期做检查的。
假设代码写出内存泄露，编译通过不了
目前，Rust 发展下来，也变的语法非常复杂了

为什么GC 会影响执行效率？因为触发 GC 的时候，可能会涉及到 STW 问题

stop the world 世界都停止

1. GC 回收的内存区域是哪个部分呢？
IVM
程序计数器
元数据区
栈
堆 => GC 主要回收这个区域

2. GC 的目的是为了释放内存，是以字节为单位“释放”嘛？
不是的，而是以“对象为单位”

正在使用的内存不回收
不再使用(尚未回收) 不回收
没有使用的区域回收

按照对象为维度进行回收，更简单方便。
如果是按照“字节维度”，就可能针对每个对象都得描述出哪部分需要回收，哪部分不需要。比较麻烦了。

堆上的内存 => new 的对象

3. 如何回收？
1) 找出垃圾，区分出哪些对象是垃圾（后续代码不再使用）
2) 释放这些垃圾对象的内存

如何“找出垃圾” ？

由于在 Java 中使用对象，都是通过 “引用” 来进行的，使用对象，无非是使用对象的属性/方法，都要通过对象的引用进行。.前面的部分就是指向对象的引用。

如果一个对象已经没有任何引用指向它了，此时这个对象就注定无法被使用了。

判断一个对象是否是垃圾这个问题比较抽象，因此我们将其转换成判断是否有引用指向这个对象，这样子问题就比较具体了。

JVM 内部是有一些办法可以做到的以上这种解决方案的，周大佬《深入理解 Java 虚拟机》这本书介绍了两种方案：

*面试的时候，区分好，看面试官是咋问的：
1) 让你介绍下垃圾回收中如何判定对象是垃圾的两个方案都可以介绍
2) 让你介绍 JVM 中如何判定对象是垃圾的别说引用计数

1) 引用计数（Java 没有使用，Python，PHP... 采用的方案）
简单粗暴的方案。
给每个对象都分配了一个 “计数器”

1. 引用计数 [Java 没有使用，Python，PHP... 采用的方案]
简单粗暴的方案。
给每个对象都分配了一个 “计数器”

Test a = new Test();
Test b = a;
a = null;
b = null;
当引用计数为 0，此时对象就没有任何引用指向了。
对象就是垃圾了

Python / PHP 等语言
会搭配其他垃圾回收机制，识别当前的引用是否构成循环引用

两个弊端
1) 消耗额外的内存空间较大。
如果对象本身很小（就 4 个字节）
计数器占了俩字节，相当于额外的内存空间多了 50%
2) 循环引用问题 (类似于死锁)

class Test {
Test t;
}
Test a = new Test();
Test b = new Test();
a.t = b
b.t = a

此时，这俩对象的引用计数是 1，不能释放。
但是，这俩对象却无法通过任何引用来访问到。

AB 相互证明对方不是垃圾
实际上 AB 都是垃圾

以下是图中的文字内容：

```
2. 可达性分析 [Java 使用的方案]
在 Java 代码中，每个 “可访问的对象” 一定是可以通过一系列的引用操作，访问到的。

Node build() {
Node a = new Node();
Node b = new Node();
Node c = new Node();
Node d = new Node();
Node e = new Node();
Node f = new Node();
Node g = new Node();
a.left = b;
a.right = c;
b.left = d;
b.right = e;
e.left = g;
c.right = f;
return a;
}

Node root = build(); 构建二叉树
此时通过 root 这个引用，是可以访问到这个树上的任何一个对象的

此时通过 root 这个引用，是可以访问到这个树上的任何一个对象的

root => a
root.left => b
root.left.left => d
root.left.right.left => g
...........

假设，写 root.right.right = null
这样的代码会使 f 无法被访问到（f 已经没有引用指向了）

假设，写 root.right = null
这样的代码使 c 不可达。由于 f 必须依赖 c，f 也一起不可达

JVM 安排专门的线程，负责上述的 “扫描” 的过程
会从一些特殊的引用开始扫描 (GC roots)
1. 栈上的局部变量 (引用类型)
2. 常量池里指向的对象 (final 修饰的，引用类型)
3. 元数据区 (静态成员，引用类型)

这三组里可能有很多变量
以这些变量为起点，尽可能的往里访问所有可能被访问到的对象
但凡被访问到的对象，都 “标记为可达”
JVM 又能够知道所有的对象列表，去掉 “标记为可达的”，剩下的就是垃圾了

不引入额外的内存空间
但是需要消耗较多的时间，进行上述扫描过程，这些过程中也是容易触发STW的

（时间换了空间）
另外这里也不会涉及到 “循环引用”

如何释放垃圾 (回收内存)
关于内存回收，涉及到几种算法.

1. 标记 - 清除

标记，就是可达性分析，找到垃圾的过程.
清除，直接释放这部分的内存（相当于直接调用 free / delete 释放这个内存给操作系统）

存在内存碎片问题

总的空闲内存空间，是比较多的（一共 4MB）
但是这些空闲空间，不连续.

在申请内存的时候，都是在申请连续的内存空间
当尝试申请 2MB 的内存时候，就会申请失败

2. 复制算法解决内存碎片

把不是垃圾的对象，复制到另外一侧
把整个空间都释放掉

很好的解决了内存碎片问题。
弊端：
1. 内存浪费比较多
2. 如果存活的对象比较多/比较大，复制开销非常明显的

3. 标记 - 整理类似于顺序表删除元素 - 搬运元素

4. 分代回收 (综合方案), 把上述几个方案，结合起来，扬长避短

整个堆空间，分成 "新生代" "老年代"
年轻对象年老对象
年龄：一个对象经过垃圾回收扫描线程的轮次

对于年轻对象来说，是容易成为垃圾的。
年老对象，则不容易成为垃圾

可达性分析中，JVM 会不停使用线程扫描这些对象是否是垃圾。每隔一定时间，扫描一次。如果一个对象扫描一次，不是垃圾，年龄就 + 1。一般来说年龄超过 15 (可以配) 的就进入老年代。

"要死早死了"
比如 C 语言，已经存在了 50 年了，可以遇见到这个 C 语言还有很大的希望再活 50 年
> 和 C 语言同时期的 C++ 语言，都死的差不多...

刚创建的新鲜对象放到伊甸区。如果对象活过一轮 GC，进入幸存区。

新对象，大多数是生命周期非常短的 “朝生夕死”，经验规律。这俩幸存区，同一时刻使用一个（相当于复制算法，分出两个部分）。每次经过一轮 GC，都会淘汰掉幸存区中的一大部分对象，把存活的对象和伊甸区中新存活下来的对象，复制算法拷贝到另一个幸存区。新生代非常适合复制算法的。

如果这个对象在新生代中存活多轮之后，就会进入老年代。老年代的对象由于生命周期大概率很长，没有必要频繁扫描。如果这个对象非常大，不适合使用复制算法了。直接进入老年代
老年代回收内存采取的是标记-清除 / 标记-整理（取决于垃圾回收器的具体实现了）

主流垃圾收集器详解

1.G1垃圾收集器（GarbageFirst）

定位：自Java11起成为默认收集器，是目前最主流的垃圾收集器。

核心特点：

采用分区堆（Region）设计，将堆内存划分为多个大小相等的块（通常为1MB~32MB）。

通过优先回收垃圾最多的Region（"GarbageFirst"策略）实现高效回收。

支持大内存（几十GB级别），同时保持可控的STW（StopTheWorld）停顿时间。

2.ZGC垃圾收集器（ZGarbageCollector）

定位：新一代低延迟收集器，未来可能逐步取代G1。

核心特点：

突破性低延迟，STW时间可控制在1ms以内。

同样采用分区堆设计，但通过染色指针（ColoredPointers）和读屏障（LoadBarriers）技术实现并发标记与整理。

支持超大堆内存（TB级别），适合现代高性能应用。

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