類加載機制

對于任意一個類，都需要經歷這樣一個過程：

這個過程就是類的生命周期，從加載到初始化，屬于類加載過程，其中驗證、準備和解析都屬于連接操作。

類加載機制的步驟

加載

加載是整個類加載中的一個階段，該階段通過類加載器將類的字節碼文件加載到內存中，并創建對應的Class對象。說白了就是找到.class文件。

驗證

驗證加載階段得到的.class文件是否合法（.class文件的格式是固定的）

準備

為.class文件中的類變量（static修飾）分配內存空間并初始化（不會賦值）。
對于public static int num = 10;
準備階段num初始化為0而不是10

解析

將字符串常量池中的符號引用變為直接引用，即初始化常量。

符號引用就相當于字符串在文件內部的位置，不能直接通過符號引用訪問到字符串；直接引用就是絕對位置，即可以通過這個引用直接訪問到字符串。

初始化

執行類的初始化（包括靜態變量的賦值和靜態代碼塊的執行，如果有父類先加載父類）
準備階段和解析階段是可以順序互換的，但是都要在初始化階段之前。

雙親委派模型

雙親委派模型是一種類加載機制，在加載階段執行。
JVM內置了三種類加載器，分別用于加載不同的類：

• BootStrapClassLoader（引導類加載器）：JVM內置的類加載器，負責加載核心類庫
• ExtensionClassLoader（擴展類加載器）：加載Java擴展類庫
• ApplicationClassLoader（應用程序類加載器）：加載應用程序的類
  其中ExtClassLoader是ApplicationClassLoader的父類，BootStrapClassLoader是ExtensionClassLoader的父類。
  程序員也可以自定義類加載器（需要繼承自ApplicationClassLoader）

工作原理

當一個類收到類加載請求，他不會直接去加載，而是把這個請求委托給父類加載器，如果父類加載器還有父類，就繼續向上委托，直到頂層的啟動類加載器。頂層的啟動類加載器沒有父類，就去查找對應范圍內是否存在該類，存在就加載并返回，否則交給子類加載器。如果最底層的類加載器也沒有找到，則拋出ClassNotFoundException（受查異常）

雙親委派模型的優點

• 避免了重復加載類的問題，保證類的唯一性

  假如有A和B兩個類需要加載，它們的父類是C，在加載A類之前就會先加載C類，此后再去加載B類就不用加載C了；如果直接從頂層類加載器開始加載，就可能出現同一個類被不同的類加載器重復加載的情況，從而得到不同的對象。

• 保護核心庫的安全性，防止惡意篡改代碼或替換核心庫

  沒有雙親委派模型（先訪問頂層類加載器），就意味著可以自己實現一些核心類，這顯然是不允許的，并且也不能保證安全。

• 促進了Java程序的模塊化和可擴展，可以自定義類加載器處理需求

雙親委派模型并不是強制的，有些情況下需要打破，例如熱部署等

垃圾回收機制

在傳統的編程語言（如C/C++）中，需要手動分配和釋放內存。這往往會出現內存泄漏和內存溢出的問題，為了盡量避免這樣的問題，JVM引入了垃圾回收機制，自動的釋放無用內存，從而減少開發人員的負擔。

死亡對象的判斷

可達性分析算法

JVM確認是否為垃圾的算法是可達性分析，它的實現思路是：
遍歷所有的GC Roots，找到它們的直接引用，并把這些引用標記為可達；然后遍歷這些可達對象，繼續找到它們的直接引用，并標記為可達；重復以上步驟直到遍歷到沒有引用。最后，沒有標記為可達的對象就是垃圾。（整個走過的路徑就稱為引用鏈）

在Java語言中，可作為GC Roots的對象包含下面幾種:

• 虛擬機棧(棧幀中的本地變量表)中引用的對象（虛擬機棧用于存儲方法調用和局部變量）；
• 方法區中類靜態屬性引用的對象（方法區用于存儲類信息、常量、靜態變量等）；
• 方法區中常量引用的對象；
• 本地方法棧中 JNI(Native方法)引用的對象（本地方法棧用于支持Java程序與本地代碼（如C、C++等）交互的數據結構）。

可達性分析算法的缺點

• 判斷是否為垃圾的過程需要遍歷所有的引用鏈，這會耗費大量資源和時間；
• 在進行可達性分析時，必須暫停用戶所有線程，即STW(Stop The World)，這會影響程序性能以及用戶體驗等。

  為什么要觸發STW？
  假如在檢查某條引用鏈時，某個其他線程刪除了這條引用鏈上的某個對象，那么從刪除位置開始往后的對象都是不可達的，這時可達性分析就可能出現誤判。因此必須在進行可達性分析前暫停所有的用戶線程。

引用計數算法

不僅僅是Java實現了垃圾回收機制，也有很多其他的語言也實現了垃圾回收機制，如python、php等則是使用引用計數算法來判斷是否為垃圾的。
引用計數算法的實現思路為：
給對象增加一個計數器，每當有一個對象引用它時，就讓計數器加一，每一個引用失效時，就讓計數器減一，當計數器為0時，認為對象不再使用。
引用計數算法的思路簡單，效率也比可達性分析算法要高，但是Java卻不使用，原因就在于引用計數無法解決循環引用的問題。

循環引用問題

例如：

public class Test {
    public Test n;
    public static void main(String[] args) {
        Test test1 = new Test();// test1引用次數為1
        Test test2 = new Test();// test2引用次數為1
        test1.n = test2;// test2引用次數為2
        test2.n = test1;// test1引用次數為2
        test1 = null;// test1引用次數為1
        test2 = null;// test2引用次數為2
    }
}

當把test1和test2都置為null后，顯然是沒有任何對象會使用到這兩個引用的，也就是說這兩個對象已經是垃圾了，但由于這兩個對象互相引用，計數器不為0，就不進行回收。這就是引用計數法的弊端，無法解決循環引用問題。

垃圾回收算法

確定哪些對象是垃圾后，就要執行垃圾回收算法來清除這些垃圾。主要的垃圾回收算法有：

標記-清除算法

顧名思義，就是先標記再清除。通過前文所述操作對所有用不到的對象標記后，統一將其清除。
標記-清除算法雖然實現思路簡單，但是卻有著致命缺點：
標記清除后會產生大量不連續的內存碎片，在后續申請內存時，如果剩余內存空間還有1G，但是最大連續的剩余內存空間還不到500MB，那這時去申請500MB的內存空間都申請不下來。

從上圖可以看到，雖然剩余空間還有5格，但是要申請一個大小為三格的對象都申請不下來。

復制算法

為了解決標記-清除算法造成的內存碎片化的問題，引入了復制算法。
復制算法的實現思路為：
首先把內存塊分成均勻的兩塊，每次只使用其中的一塊內存，在進行垃圾回收時，把存活的對象復制到另一塊內存中，然后再清除這一塊內存。這樣就解決了內存碎片化的問題。

復制算法的實現也比較簡單，但是缺點也很明顯：
內存空間利用率很低，每次只能用一半丟一半。另外，假如內存中存活的對象很多，而死亡的很少，這時復制算法效率也是很低的。

標記-整理算法

標記-整理算法也是對標記-清除算法的一種改進，在標記完不會立即進行清除，而是把所有的存活對象往一端移動，把所有的存活對象和死亡對象隔開以后，在對死亡對象進行清除。

標記-整理算法和復制算法一樣，當存活對象很多時，效率會很低。

分代算法

實際開發中的內存情況是多種多樣的，因此不能簡單的使用上述的某一種算法來實現垃圾回收。分代算法通過區域的劃分，在不同的區域執行不同的垃圾回收算法，從而更好地實現垃圾回收。合適的才是最好的。
分代算法將內存區劃分為新生代和老年代兩大內存區塊，根據經驗而談：如果一種事物已經存在了了很久，那么它很可能會繼續存在很久。就像音樂一樣，如果某一首歌已經火了好多年了，那么它很可能繼續火很多年；當然更多的歌都只是曇花一現。依據這條經驗，內存區劃分為新生代和老年代，在新生代中，每次垃圾回收都有大批對象死去，只有少量存活（就像經典歌曲往往是少數的），因此我們采用復制算法；而老年代中對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須采用標記-清除或者標記-整理算法。

• 新生代分為伊甸區和幸存區，新創建的對象都放在伊甸區，每輪存活的對象放到幸存區
• 由于大多數的對象生命周期都很短，因此伊甸區很大，幸存區較小
• 幸存區分為大小相等的兩部分，每次只使用一部分
• 每次垃圾回收，伊甸區和幸存區的幸村對象一樣，都復制到另一半幸存區。
• 在幸存區幸存的次數達到一定程度后，就會從新生代轉移到老年代。
• 如果創建的對象本身很大，則直接放到老年代。
  
  垃圾回收算法只是垃圾回收的思想，實際的垃圾回收是JVM基于這些思想并加以擴展實現的垃圾回收器來完成的。