深入浅出Java虚拟机（JVM）核心原理

目录

一、JVM概述

[1.1 大白话理解JVM](#1.1 大白话理解JVM)

[1.2 JVM架构](#1.2 JVM架构)

[1.3 跨平台运行的本质](#1.3 跨平台运行的本质)

二、类加载器

[1.1 类加载全过程](#1.1 类加载全过程)

[1.1.1 加载阶段](#1.1.1 加载阶段)

[1.1.2 验证阶段](#1.1.2 验证阶段)

[1.1.3 准备阶段](#1.1.3 准备阶段)

[2.2 双亲委派机制](#2.2 双亲委派机制)

[2.3 自定义类加载器](#2.3 自定义类加载器)

三、运行时数据区

[3.1 堆内存结构](#3.1 堆内存结构)

[3.1.1 新生代参数优化](#3.1.1 新生代参数优化)

[3.1.2 内存分配策略](#3.1.2 内存分配策略)

[3.2 虚拟机栈运行原理](#3.2 虚拟机栈运行原理)

[2.3 方法区演进](#2.3 方法区演进)

四、执行引擎深度解析

[4.1 解释器与JIT协作](#4.1 解释器与JIT协作)

[4.2 JIT优化技术](#4.2 JIT优化技术)

[4.2.1 方法内联优化](#4.2.1 方法内联优化)

[4.2.2 逃逸分析优化](#4.2.2 逃逸分析优化)

[4.3 AOT编译实践](#4.3 AOT编译实践)

五、垃圾回收全解析

[5.1 对象存活判定算法](#5.1 对象存活判定算法)

[5.1.1 可达性分析算法](#5.1.1 可达性分析算法)

[5.1.2 引用类型进阶](#5.1.2 引用类型进阶)

[5.2 经典GC算法对比](#5.2 经典GC算法对比)

[5.3 主流垃圾收集器](#5.3 主流垃圾收集器)

[5.3.1 Parallel收集器家族](#5.3.1 Parallel收集器家族)

[5.3.2 CMS收集器](#5.3.2 CMS收集器)

[5.3.3 G1收集器革新](#5.3.3 G1收集器革新)

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一、JVM概述

1.1 大白话理解JVM

JVM是 Java Virtual Machine 的缩写，简单来说，JVM 就像是一台虚拟的小电脑，它能运行在 Windows、Linux 等各种各样的操作系统环境里。不过它可不直接和硬件打交道，而是和操作系统进行沟通交流，让操作系统帮忙去完成和硬件交互的那些事。

打个比方，我们平时用的真实电脑有 CPU 来处理数据、有内存来存储数据。JVM 这台 "小电脑" 也有类似的功能模块。它有自己的运行空间，里面划分出了不同的区域，就像真实电脑里的内存被划分成不同用途的区域一样。

当编写好 Java 程序后，java程序代码（.java）会被编译成一种 JVM 能理解的字节码文件(.class)。JVM 就负责运行这些字节码文件，它会把字节码翻译成计算机硬件能懂的指令，让程序在不同的操作系统上都能顺利运行。

而且，JVM 还能自动管理内存。比如，它会自动帮我们分配内存来存储程序运行时产生的数据，当这些数据不再使用时，JVM 还会自动把它们占用的内存回收掉，这样就不用担心内存不够用或者内存泄漏的问题。

所以说，JVM 就像是 Java 程序的一个 "大管家 "，为 Java 程序提供了一个统一的运行环境 ，让 Java 程序可以在不同的操作系统上都能稳定、高效地运行，实现了 "一次编写，到处运行" 的神奇效果。

1.2 JVM架构

**Java虚拟机（JVM）**是Java生态的核心引擎，通过将字节码转换为机器指令实现"一次编写，到处运行"。其架构包含三个核心子系统：

• 类加载器：负责加载.class文件
• 运行时数据区：内存管理核心区域

• 执行引擎：包含解释器和JIT编译器
  JVM组件流程图

又比如我现在需要编译运行一个java程序 xiaoliang.java，那么这个java文件被运行的流程就如同下面这幅图：

总结

（1）.java文件经过编译后变成 .class 字节码文件

（2）字节码文件通过类加载器 被搬运到 JVM 虚拟机中

（3）虚拟机主要的 5 大块：方法区，堆都为线程共享区域，有线程安全问题，栈和本地方法栈和计数器都是独享区域，不存在线程安全问题，而 JVM 的调优主要就是围绕堆，栈两大块进行

1.3 跨平台运行的本质

Java程序通过"中间层翻译"实现跨平台：

• .java源码 → .class字节码（二进制中间格式）
• JVM将字节码转换为本地机器指令（JIT编译优化）
• 不同平台的JVM实现负责对接操作系统API

二、类加载器

关于类加载器的详细介绍，大家可以通过传送门查看我的这篇文章：

JVM 类加载器深度解析（含实战案例）-CSDN博客

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1.1 类加载全过程

类加载生命周期

1.1.1 加载阶段

• 通过全限定名获取二进制字节流
• 生成方法区的运行时数据结构
• 创建对应的Class对象（作为访问入口）

1.1.2 验证阶段

• 文件格式验证（魔数CAFE BABE）
• 元数据验证（继承关系检查）
• 字节码验证（栈映射帧校验）
• 符号引用验证（常量池检查）

1.1.3 准备阶段

• 类变量（static变量）分配内存
• 设置初始值（0/false/null等）
• 示例：public static int value = 123; 此时value=0

2.2 双亲委派机制

双亲委派模型执行流程

破坏双亲委派的典型场景：

• SPI机制（JDBC驱动加载）
• OSGi模块化
• 热部署实现

2.3 自定义类加载器

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }
    
    private byte[] loadClassData(String className) {
        // 自定义加载逻辑
    }
}

三、运行时数据区

3.1 堆内存结构

// 堆内存分配示例
byte[] data = new byte[10 * 1024 * 1024]; // 10MB数组直接进入老年代

3.1.1 新生代参数优化

-XX:NewRatio=2          # 老年代/新生代=2:1
-XX:SurvivorRatio=8     # Eden/Survivor=8:1:1
-XX:MaxTenuringThreshold=15 # 晋升阈值

3.1.2 内存分配策略

• TLAB（Thread Local Allocation Buffer）
• 逃逸分析与栈上分配
• 大对象直接进入老年代

3.2 虚拟机栈运行原理

栈帧结构详解：

public class StackFrameDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = add(a, b);
    }
    
    private static int add(int x, int y) {
        return x + y;
    }
}

操作步骤	局部变量表	操作数栈
iconst_1	[ ]	[1]
istore_1	[a=1]	[ ]
iconst_2	[a=1]	[2]
istore_2	[a=1,b=2]	[ ]
iload_1	[a=1,b=2]	[1]
iload_2	[a=1,b=2]	[1,2]
invoke	[...]	[...]

2.3 方法区演进

JDK版本	实现方式	参数配置	特点
≤1.6	永久代	-XX:PermSize=64m	受JVM内存限制
1.7	部分元数据	-XX:PermSize=64m	字符串常量池移至堆
≥1.8	元空间	-XX:MetaspaceSize=256m	使用本地内存，自动扩展

四、执行引擎深度解析

4.1 解释器与JIT协作

分层编译策略：

1. 第0层：纯解释执行
2. 第1层：C1简单编译（方法调用计数触发）
3. 第2层：C2深度优化（回边计数触发）

4.2 JIT优化技术

4.2.1 方法内联优化

// 内联优化示例
public int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 调用处被优化为直接相加
int result = x + y;

4.2.2 逃逸分析优化

• 栈上分配（避免堆内存分配）
• 锁消除（线程私有对象去锁）
• 标量替换（分解对象为基本类型）

4.3 AOT编译实践

# 使用GraalVM编译原生镜像
native-image -H:+PrintAnalysisCallTree \
             -H:+TraceClassInitialization \
             -jar app.jar

五、垃圾回收全解析

5.1 对象存活判定算法

5.1.1 可达性分析算法

GC Roots类型：

• 虚拟机栈局部变量
• 方法区静态变量
• 方法区常量引用
• JNI全局引用

5.1.2 引用类型进阶

类型	回收条件	使用场景
强引用	永不回收	普通对象
软引用	内存不足时回收	缓存
弱引用	下次GC时回收	缓存/监听
虚引用	随时可能回收	堆外内存管理

5.2 经典GC算法对比

算法	优点	缺点	适用场景
标记-清除	简单快速	内存碎片	老年代
复制算法	无碎片	内存折半	新生代
标记-整理	内存紧凑	效率较低	老年代
分代收集	综合优势	实现复杂	现代JVM

5.3 主流垃圾收集器

5.3.1 Parallel收集器家族

• Parallel Scavenge ：吞吐量优先

• Parallel Old ：老年代并行整理

• 参数配置示例：

  -XX:+UseParallelGC
  -XX:ParallelGCThreads=4
  -XX:MaxGCPauseMillis=200

5.3.2 CMS收集器

• 四阶段过程 ：

  1. 初始标记（STW）
  2. 并发标记
  3. 重新标记（STW）
  4. 并发清除

• 内存碎片问题解决方案：

  -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
  -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5

5.3.3 G1收集器革新

• Region分区模型：将堆划分为1MB~32MB区域
• SATB算法：Snapshot-At-The-Beginning
• 最佳实践参数：

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

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码字不易，希望可以一键三连，我们下期文章再见！！！