JVM内存模型

1、什么是JVM？

2、为什么要学习JVM？

（1）深入理解Java程序的运行机制

（2）优化程序性能

[3.1 类加载子系统（Class Loader SubSystem）](#3.1 类加载子系统（Class Loader SubSystem）)

[(1) 加载（Loading）](#(1) 加载（Loading）)

[(2) 链接（Linking）](#(2) 链接（Linking）)

[(3) 初始化（Initialization）](#(3) 初始化（Initialization）)

[3.2 运行时数据区（Runtime Data Areas）](#3.2 运行时数据区（Runtime Data Areas）)

[(1) 线程私有区域（每个线程独立）](#(1) 线程私有区域（每个线程独立）)

[(2) 线程共享区域（所有线程共用--->非线程安全的）](#(2) 线程共享区域（所有线程共用--->非线程安全的）)

[3.3 执行引擎（Execution Engine）](#3.3 执行引擎（Execution Engine）)

[(1) 解释器（Interpreter）](#(1) 解释器（Interpreter）)

[(2) JIT编译器（Just-In-Time Compiler）](#(2) JIT编译器（Just-In-Time Compiler）)

[(3) 垃圾回收（Garbage Collection）](#(3) 垃圾回收（Garbage Collection）)

[(4) 本地方法接口（JNI, Java Native Interface）](#(4) 本地方法接口（JNI, Java Native Interface）)

[3.4 数据流向总结](#3.4 数据流向总结)

[4、在Java 8版本之后的更新](#4、在Java 8版本之后的更新)

[4.1 类加载子系统的改进](#4.1 类加载子系统的改进)

[4.2 运行时数据区的重大变化](#4.2 运行时数据区的重大变化)

[(1) 方法区 → 元空间（Metaspace）](#(1) 方法区 → 元空间（Metaspace）)

[(2) 堆内存与垃圾回收器](#(2) 堆内存与垃圾回收器)

[(3) 线程栈优化](#(3) 线程栈优化)

[4.3 执行引擎的增强](#4.3 执行引擎的增强)

[4.4 工具链与监控的演进](#4.4 工具链与监控的演进)

[4.5 总结](#4.5 总结)

[5、新特性探索（Java 8+）](#5、新特性探索（Java 8+）)

[模块一：Java 8~Java 11](#模块一：Java 8~Java 11)

[5.1 模块化（Java 9+）](#5.1 模块化（Java 9+）)

[5.2 元空间（Metaspace）取代永久代](#5.2 元空间（Metaspace）取代永久代)

[5.3 GC 行为变化（CMS 移除）](#5.3 GC 行为变化（CMS 移除）)

[模块二：Java 11~Java 17](#模块二：Java 11~Java 17)

[5.4 低延迟 GC：ZGC 与 Shenandoah](#5.4 低延迟 GC：ZGC 与 Shenandoah)

[5.5 GraalVM 原生镜像（AOT 编译）](#5.5 GraalVM 原生镜像（AOT 编译）)

[5.6 虚拟线程（Loom 项目，Java 19 正式）](#5.6 虚拟线程（Loom 项目，Java 19 正式）)

模块三：新特性详解

[5.7 元空间调优](#5.7 元空间调优)

[5.8 G1/ZGC 原理](#5.8 G1/ZGC 原理)

[5.9 JFR（Java Flight Recorder）诊断](#5.9 JFR（Java Flight Recorder）诊断)

1、什么是JVM？

Java Virtual Machine（Java虚拟机），用来保证Java语言跨平台。
Java虚拟机可以看做是一台抽象的计算机，如同真实的计算机那样，它有自己的指令集以及各种运行时内存区域。

JVM模拟了真实计算机的架构，拥有独立的指令集（如字节码指令）和内存管理机制（如堆、栈、方法区等）。这种设计使得Java程序无需直接操作物理硬件，而是通过JVM的统一接口运行，从而实现跨平台性。例如，javac编译生成的字节码（.class文件）是JVM的"指令集"，而堆内存用于存储对象实例，栈内存用于方法调用。

Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式（class文件格式）所关联。

JVM的核心规范是处理符合class文件格式的二进制文件，而非特定语言。这意味着任何能编译成合规字节码的语言（如Kotlin、Scala）均可运行在JVM上。例如，Groovy编写的代码编译后也能被JVM执行，体现了JVM的"语言无关性"。

Java虚拟机就是一个字节码翻译器，它将字节码文件翻译成各个系统对应的机器码，确保字节码文件能在各个系统正确运行。

JVM通过解释或即时编译（JIT）将字节码转换为目标系统的原生机器码。例如，在Windows和Linux上，同一份.class文件会被JVM分别翻译为x86或ARM指令，确保程序在不同OS上行为一致。这种"一次编译，到处运行"的特性依赖JVM对各平台的适配。

2、为什么要学习JVM？

学习 JVM（Java虚拟机） 是Java开发者进阶的必经之路，主要原因包括以下几个方面：

（1）深入理解Java程序的运行机制

Java程序不是直接运行在操作系统上，而是通过JVM执行字节码。
了解JVM如何加载类、管理内存、执行字节码等，能帮助你写出更高效、稳定的代码。
例如：理解ClassLoader机制可以避免类加载冲突，优化启动性能。

（2）优化程序性能

JVM的内存管理（堆、栈、方法区）、垃圾回收（GC）机制直接影响程序性能。
掌握JVM调优（如调整堆大小、选择合适的GC算法）可以显著提升高并发、大数据量场景下的应用性能。
例如：-Xms和-Xmx参数调整堆内存，避免频繁GC导致的卡顿。

（3）排查线上问题

线上环境可能出现OOM（内存溢出）、CPU飙升、线程死锁等问题，掌握JVM工具（如jstack、jmap、VisualVM）看懂GC日志就能够快速定位问题。
例如：用jstack分析线程堆栈，找出死锁或阻塞的代码。

（4）编写高效代码

了解JVM内存模型（如逃逸分析、栈上分配）可以优化对象创建方式，减少GC压力。
例如：String的intern()方法可以复用字符串常量池，减少内存占用。

（5）跨平台与语言无关性

JVM不仅支持Java，还支持Kotlin、Scala、Groovy等JVM语言，理解JVM有助于学习这些语言的底层机制。
例如：Kotlin的协程底层依赖JVM的线程模型。

（6）面试与职业发展

JVM是Java面试的核心考点之一（如GC、类加载、内存模型），掌握JVM能提升竞争力。
高级开发、架构师等岗位通常要求深入理解JVM调优和底层原理。

3、JVM的体系结构

如下图所示，这是一个JVM的体系结构图（基于Java8的环境）：

这张JVM体系结构图清晰地展示了Java虚拟机的主要组成部分及其运行流程，主要包括 类加载子系统（Class Loader SubSystem） 、运行时数据区（Runtime Data Areas） 和 执行引擎（Execution Engine） 三大部分。下面我们逐一解析每个模块的功能和流程。

3.1 类加载子系统（Class Loader SubSystem）

负责运行时首次引用类文件时加载.class文件到内存，并转换为JVM可识别的数据结构。类加载过程分为 加载（Loading）→ 链接（Linking）→ 初始化（Initialization） 三个阶段：

(1) 加载（Loading）

任务：查找并加载.class文件（二进制字节码）到内存。
类加载器（Class Loader）：
- Bootstrap Class Loader（启动类加载器） ：加载JRE/lib下的核心类库（如java.lang.*）。
- Extension Class Loader（扩展类加载器） ：加载JRE/lib/ext下的扩展类。
- Application Class Loader（应用程序类加载器） ：加载用户程序的类（classpath下的类）。

(2) 链接（Linking）

验证（Verify） ：检查字节码是否符合JVM规范（如魔数0xCAFEBABE），如果验证失败将会收到验证错误。
准备（Prepare） ：为 静态变量 分配内存并设置默认值（如int初始化为0）。
解析（Resolve）：将符号引用（如类名、方法名）转换为直接引用（内存地址）。

(3) 初始化（Initialization）

执行<clinit>()方法（静态变量赋值、执行静态代码块）。
例如：static int a = 100; 在此阶段赋值。

3.2 运行时数据区（Runtime Data Areas）

JVM运行时的内存模型，分为 线程私有 和 线程共享 区域：

(1) 线程私有区域（每个线程独立）

程序计数器（PC Register）
- 记录当前线程执行的字节码指令地址（线程切换后恢复执行位置）。
- PS：每一个线程都有自己的程序计数器。
虚拟机栈（Stack Area）
- 存储 栈帧（Stack Frame），每个方法调用对应生成一个栈帧，所有的局部变量都会在栈内存创建，其中栈帧包含：
  - 局部变量表（LVA）：存放方法参数和局部变量。
  - 操作数栈（Operand Stack） ：用于计算中间结果（如i++操作）。
  - 动态链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的方法引用。
  - 方法返回地址：方法执行完毕后返回的位置。
本地方法栈（Native Method Stack）
- 为native方法（如C/C++代码）提供运行环境。
- PS：对应的，每个线程都会创建自己的本地方法栈

(2) 线程共享区域（所有线程共用--->非线程安全的）

堆（Heap Area）
- 存储 所有对象实例和数组，是垃圾回收（GC）的主要区域。
- 分为 新生代（Young Gen） 和 老年代（Old Gen）。
方法区（Method Area）
- 存储 类信息、常量、静态变量、JIT编译后的代码 （JDK 8后由 元空间Metaspace 实现）。
- PS：每个Java虚拟机都只有一个方法区，所以他是公共的。

3.3 执行引擎（Execution Engine）

负责执行字节码，核心组件包括：

(1) 解释器（Interpreter）

逐行解释执行字节码（启动快，但执行效率低）。
当一个方法被调用多次的时候，他还是会逐一解释，所以JIT编译器应运而生。

(2) JIT编译器（Just-In-Time Compiler）

热点代码优化：将频繁执行的字节码（比如上文提到的多次调用一个方法的重复代码）编译为本地机器码（本地代码会直接用于系统调用，从而提升性能）。
工作流程：
- Profiler（分析器）：识别热点代码（如循环、高频调用方法）。
- Code Optimizer（代码优化器）：优化字节码（如内联、逃逸分析）。
- Target Code Generator（目标代码生成器）：生成机器码。

(3) 垃圾回收（Garbage Collection）

自动回收堆内存中的无用对象（如引用计数、可达性分析算法）。
我们可以通过调用**System.gc()方法触发垃圾回收器，但是不能保证执行。**

(4) 本地方法接口（JNI, Java Native Interface）

调用本地方法（如System.currentTimeMillis()底层用C实现）。

3.4 数据流向总结

类加载 ：.class文件 → 类加载子系统 → 方法区（存储类信息）。
运行阶段：
- 线程栈执行方法 → 操作数栈计算 → 堆内存创建对象。
- JIT优化热点代码 → 生成机器码加速执行。
垃圾回收：堆内存中的无用对象被GC清理。

4、在Java 8版本之后的更新

4.1 类加载子系统的改进

模块	Java 8	Java 11/17
类加载器	Bootstrap/Extension/Application	模块化系统（Java 9+）：引入 `Layer` 分层加载机制，支持动态模块依赖。
加载过程	固定路径（JRE/lib, ext, classpath）	模块路径（module-path）替代 classpath，增强隔离性。
元数据存储	永久代（PermGen）存储类元数据	元空间（Metaspace）：类元数据移至本地内存，默认无上限（`-XX:MaxMetaspaceSize` 可限制）。

影响：

永久代 OOM 问题消失，但需监控元空间占用（如滥用动态类生成仍会触发 Metaspace OOM）。
模块化减少类冲突（如 javax vs jakarta），但需适应新打包方式（jlink 生成定制化运行时）。

4.2 运行时数据区的重大变化

(1) 方法区 → 元空间（Metaspace）

java 复制代码

- Java 8: Method Area (PermGen)
  - 固定大小（`-XX:PermSize=64m`），易触发 `OutOfMemoryError: PermGen space`。
  - 存储：类元数据、运行时常量池、静态变量。

+ Java 17: Metaspace
  - 本地内存管理，默认自动扩展（受限于物理内存）。
  - 存储：仅类元数据（静态变量移至堆中）。
  - 调优：`-XX:MaxMetaspaceSize=256m` 限制上限。

(2) 堆内存与垃圾回收器

特性	Java 8	Java 11/17
默认 GC	Parallel GC（吞吐优先）	G1 GC（平衡吞吐/延迟）
低延迟 GC	无	ZGC （亚毫秒级停顿，Java 11+） Shenandoah（低停顿，Java 12+）
堆分区	固定新生代/老年代比例	G1 的 Region-Based 动态分区

影响：

ZGC/Shenandoah 适用于微服务、实时系统（如支付交易），但需显式启用：
java 复制代码
```
java -XX:+UseZGC -jar app.jar
```
G1 的默认化减少调优负担，但需理解 Region 和 Mixed GC 机制。

(3) 线程栈优化

Java 15+ 虚拟线程（预览） ：
- 轻量级线程（JEP 425），减少栈内存占用和上下文切换开销。
- 替代传统 Thread 模型，适用于高并发（如 10W+ 连接）。
java 复制代码
```
Thread.startVirtualThread(() -> {...}); // Java 19 正式发布
```

4.3 执行引擎的增强

组件	Java 8	Java 11/17
JIT 编译器	C1/C2 分层编译	Graal JIT（Java 10+ 可选）
AOT 编译	不支持	GraalVM AOT（生成原生镜像，Java 17+）
本地方法	传统 JNI	Project Panama（预览，简化 FFI 调用）

影响：

Graal JIT：更激进的优化（如逃逸分析），但可能增加编译时间。
AOT 编译 ：提升启动速度（如 Spring Native），但牺牲动态性（反射需配置）。
java 复制代码
```
native-image -jar app.jar  # 生成原生可执行文件
```

4.4 工具链与监控的演进

工具	Java 8	Java 11/17
监控工具	jstat、jmap、VisualVM	JDK Mission Control (JMC) Java Flight Recorder (JFR)
命令行	jcmd 功能有限	增强版 `jcmd`（支持 Metaspace/ZGC 诊断）： `jcmd <pid> VM.metaspace`
日志	GC 日志需手动解析	统一日志（-Xlog）： `-Xlog:gc*=debug:file=gc.log`

示例（Java 17 ZGC 日志分析）：

java 复制代码

java -XX:+UseZGC -Xlog:gc*=info:file=zgc.log -jar app.jar

4.5 总结

Java 11/17 的 JVM 在 内存模型 （元空间）、垃圾回收 （ZGC）、执行效率 （Graal/AOT）和 可观测性（JFR）上大幅改进，但核心架构（类加载、堆栈模型）仍与 Java 8 一脉相承。

5、新特性探索（Java 8+）

模块一：Java 8~Java 11

5.1 模块化（Java 9+）

问题背景 ：
图中 Class Loader SubSystem 的 Bootstrap/Extension/Application 三层加载器在 Java 8 中依赖 classpath，易引发 JAR 地狱（如版本冲突）。
Java 11 解决方案 ：
- 模块化系统（JPMS） ：
  - 类加载改为 模块路径（module-path） 替代 classpath，每个模块声明依赖（module-info.java）。
  - 新增 Layer 分层加载机制，支持动态模块化部署。
- 影响：
  - 需重构大型项目为模块（如拆分 com.example 为独立模块）。
  - 工具链变化：jlink 生成定制化运行时，剔除未用模块减小体积。
    java 复制代码
```
jlink --add-modules java.base --output minimal-jre
```

5.2 元空间（Metaspace）取代永久代

与上图对比 ：
原图的 Method Area（永久代）在 Java 8 中通过 -XX:PermSize 固定大小，易触发 OutOfMemoryError: PermGen space。
Java 11 变化 ：
- 元空间（Metaspace）特性 ：
  - 类元数据移至 本地内存，默认无上限（受限于物理内存）。
  - 字符串常量池、静态变量移至 堆内存。
- 调优参数 ：
  java 复制代码
```
-XX:MaxMetaspaceSize=256m  # 限制上限
-XX:MetaspaceSize=64m      # 初始大小
```
- 监控命令 ：
  java 复制代码
```
jcmd <pid> VM.metaspace    # 查看元空间使用详情
```

5.3 GC 行为变化（CMS 移除）

图中对比 ：
原图 Execution Engine 的 Garbage Collection 未明确收集器类型，Java 8 默认 Parallel GC，CMS 为老年代低停顿选项。
Java 11 更新 ：
- CMS 移除 ：改用 G1（Garbage-First） 作为默认收集器。
- G1 核心改进 ：
  - Region-Based 堆分区：取代固定新生代/老年代比例，动态调整 Region 用途。
  - Mixed GC 模式：同时回收新生代和老年代 Region。
- 调优示例 ：
  java 复制代码
```
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200  # 目标停顿时间
```

模块二：Java 11~Java 17

5.4低延迟 GC：ZGC 与 Shenandoah

ZGC（Java 11+） ：
- 目标：亚毫秒级停顿（<1ms），适合实时交易系统。
- 原理：
  - 染色指针（Colored Pointers）：在指针中存储元数据，加速标记。
  - 并发压缩：无需停顿线程整理内存。
- 启用命令 ：
  java 复制代码
```
-XX:+UseZGC -Xmx16g -Xlog:gc*=info:file=zgc.log
```
Shenandoah（Java 12+） ：
- 类似 ZGC，但通过 Brooks 指针实现并发压缩，适用于大堆（>32GB）。

5.5GraalVM 原生镜像（AOT 编译）

图中对比 ：
原图 Execution Engine 的 JIT Compiler（C1/C2）在 Java 17 中可替换为 Graal JIT 或 AOT 编译。
原生镜像特性 ：
- 将 Java 程序编译为独立可执行文件（无需 JVM），启动速度提升 10x。
- 限制：反射、动态类加载需提前配置（reflect-config.json）。
- 示例：
  java 复制代码
```
native-image -jar app.jar --no-fallback
```

5.6 虚拟线程（Loom 项目，Java 19 正式）

背景：
原图的 Stack Area 中每个线程固定占用 ~1MB 栈内存，高并发时成本太高了。
虚拟线程 ：
- 轻量级线程（协程），由 JVM 调度，复用 OS 线程。
- 支持百万级并发（传统线程仅千级）。
- 示例：
  java 复制代码
```
Thread.startVirtualThread(() -> System.out.println("Virtual Thread"));
```

模块三：新特性详解

5.7 元空间调优

监控工具 ：
- JMC/JFR：实时监控 Metaspace 使用率与 GC 事件。
- Arthas：诊断类加载泄漏（如动态生成类未卸载）。
常见问题 ：
- Metaspace OOM：因滥用 CGLIB/ASM 动态生成类，需限制大小或优化代码。

5.8 G1/ZGC 原理

收集器	G1（Java 8+）	ZGC（Java 11+）
目标	平衡吞吐与停顿（~200ms）	亚毫秒级停顿（<1ms）
堆布局	固定大小 Region	动态 Region（无分代）
标记	并发标记 + SATB 算法	并发染色指针
压缩	并行压缩（Mixed GC 阶段停顿）	并发压缩（无停顿）

5.9 JFR（Java Flight Recorder）诊断

启用命令 ：

java 复制代码

-XX:StartFlightRecording=delay=5s,duration=60s,name=myrecording,filename=recording.jfr

关键事件 ：
- jdk.GCPhase：分析 GC 停顿时间。
- jdk.MetaspaceAllocationFailure：定位元空间问题。
工具：
- JMC 可视化分析 .jfr 文件。

通过对比原图与新版特性，可以清晰看到 JVM 从 固定内存模型 向 动态化、低延迟、云原生 的演进方向。

1、什么是JVM？

2、为什么要学习JVM？

（1）深入理解Java程序的运行机制

（2）优化程序性能

（3）排查线上问题

（4）编写高效代码

（5）跨平台与语言无关性

（6）面试与职业发展

3、JVM的体系结构

3.1 类加载子系统（Class Loader SubSystem）​

​(1) 加载（Loading）​

​(2) 链接（Linking）​

​(3) 初始化（Initialization）​

3.2 运行时数据区（Runtime Data Areas）​

​(1) 线程私有区域（每个线程独立）​

​(2) 线程共享区域（所有线程共用--->非线程安全的）​

3.3 执行引擎（Execution Engine）​

​(1) 解释器（Interpreter）​

​(2) JIT编译器（Just-In-Time Compiler）​

​(3) 垃圾回收（Garbage Collection）​

​(4) 本地方法接口（JNI, Java Native Interface）​

3.4 数据流向总结

4、在Java 8版本之后的更新

4.​1 类加载子系统的改进​

4.​2 运行时数据区的重大变化​

​​(1) 方法区 → 元空间（Metaspace）​​

​​(2) 堆内存与垃圾回收器​

​​(3) 线程栈优化​

4.​3 执行引擎的增强​

​4.4 工具链与监控的演进​

4.5 ​总结​

5、新特性探索（Java 8+）

模块一：Java 8~Java 11

5.​1 模块化（Java 9+）​​

5.​2 元空间（Metaspace）取代永久代​

5.3 GC 行为变化（CMS 移除）​​

模块二：Java 11~Java 17

​​5.4低延迟 GC：ZGC 与 Shenandoah​

​5.5GraalVM 原生镜像（AOT 编译）​​

​5**.6 虚拟线程（Loom 项目，Java 19 正式）​**​

​模块三：新特性详解​

​5**.7 元空间调优**​

​5**.8 G1/ZGC 原理**​

​5**.9 JFR（Java Flight Recorder）诊断**​

3.1 类加载子系统（Class Loader SubSystem）

(1) 加载（Loading）

(2) 链接（Linking）

(3) 初始化（Initialization）

3.2 运行时数据区（Runtime Data Areas）

(1) 线程私有区域（每个线程独立）

(2) 线程共享区域（所有线程共用--->非线程安全的）

3.3 执行引擎（Execution Engine）

(1) 解释器（Interpreter）

(2) JIT编译器（Just-In-Time Compiler）

(3) 垃圾回收（Garbage Collection）

(4) 本地方法接口（JNI, Java Native Interface）

4.1 类加载子系统的改进

4.2 运行时数据区的重大变化

(1) 方法区 → 元空间（Metaspace）

(2) 堆内存与垃圾回收器

(3) 线程栈优化

4.3 执行引擎的增强

4.4 工具链与监控的演进

4.5 总结

5.1 模块化（Java 9+）

5.2 元空间（Metaspace）取代永久代

5.3 GC 行为变化（CMS 移除）

5.4低延迟 GC：ZGC 与 Shenandoah

5.5GraalVM 原生镜像（AOT 编译）

5.6 虚拟线程（Loom 项目，Java 19 正式）

模块三：新特性详解

5.7 元空间调优

5.8 G1/ZGC 原理

5.9 JFR（Java Flight Recorder）诊断