【JVM】学习笔记

1. JVM概述

JVM是一个抽象的计算机，用于运行Java程序。它将Java字节码转化为特定平台的机器代码，确保Java程序具有跨平台性。

2. JVM架构

JVM的架构通常包括以下几个主要部分：

类加载子系统（ClassLoader） ：负责加载.class文件。它通过类加载器将字节码加载到JVM内存中。
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
- 系统类加载器（System ClassLoader）
运行时数据区（Runtime Data Areas） ：JVM为运行中的Java程序分配的内存区域，包括：
- 方法区（Method Area）：存放类的结构信息（如类名、字段、方法等）。
- 堆（Heap）：存放所有的对象实例和数组。
- Java栈（Java Stack）：每个线程都有一个栈，存放局部变量和方法调用信息。
- 程序计数器（PC Register）：每个线程都有一个程序计数器，用于指示当前线程正在执行的字节码指令地址。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：用于支持JVM执行本地方法（通常是通过JNI调用的C或C++代码）。

3. JVM的垃圾回收机制（GC）

JVM有自动的垃圾回收机制，负责回收不再使用的对象。垃圾回收的过程包括：

堆的分代结构：堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
垃圾回收算法 ：
- 标记-清除（Mark-and-Sweep）
- 复制算法（Copying）
- 标记-整理（Mark-and-Compact）
- 分代收集（Generational Collection）
GC的触发：GC可以通过内存不足、系统调用等触发。

4. JVM的执行过程

编译过程：Java源代码（.java）先被编译为字节码（.class），然后通过JVM的类加载器加载到内存。
字节码执行 ：
- 解释执行（Interpreter）：直接逐行解释执行字节码。
- 即时编译（JIT Compiler）：JVM将热点代码编译成机器代码，提高执行效率。

解释执行（Interpretation）

定义：解释执行是指逐行读取源代码，将其翻译成机器语言并执行的过程。每读取一行代码，就立即翻译并执行，而不是提前将整个程序翻译成机器语言。

类比：想象你正在读一本外语书（比如法语书），但你不懂法语。这时，你旁边有一个翻译官，他每翻一页，就读一句法语，然后翻译成你能理解的中文，你再根据中文来理解这句话的意思。这个过程就是解释执行------逐句翻译并执行。

Java示例：

在早期的Java虚拟机（JVM）中，Java代码是逐行解释执行的。JVM读取Java字节码（一种中间代码），然后逐行翻译成机器语言并执行。这种方式的好处是简单直接，但缺点是执行效率相对较低，因为每次执行都需要翻译。

即时编译（Just-In-Time Compilation, JIT）

定义：即时编译是指将源代码或中间代码（如Java字节码）在运行时动态地翻译成机器语言，并存储在内存中以便后续快速执行的过程。与解释执行不同，JIT编译会提前编译部分或全部代码，以提高执行效率。

类比：继续上面的外语书类比。现在，你不再需要逐句翻译了，而是请了一个翻译团队，他们先把整本书翻译成中文，然后装订成册给你。这样，你就可以直接阅读中文版的书了，效率大大提高。这个过程就是即时编译------提前翻译并存储，以便后续快速执行。

Java示例：

现代的JVM采用了JIT编译技术。当JVM运行Java程序时，它会分析代码的执行情况，识别出热点代码（即频繁执行的代码），然后将这些热点代码编译成机器语言并存储在内存中。这样，当这些代码再次被执行时，就可以直接执行机器语言了，大大提高了执行效率。

深入理解

解释执行与JIT编译的区别：
- 解释执行是逐行翻译并执行，适合简单直接但效率较低的场景。
- JIT编译是提前翻译并存储，适合需要高效执行的场景。
JIT编译的优势：
- 提高执行效率：通过提前编译并存储机器语言，减少了翻译的开销。
- 优化性能：JIT编译器可以根据运行时的情况进行优化，如内联函数、循环展开等。
- 动态适应性：JIT编译器可以监控代码的执行情况，并根据需要动态调整编译策略。
JIT编译的挑战：
- 编译开销：虽然JIT编译可以提高执行效率，但编译本身也需要一定的时间和资源开销。
- 编译策略：如何选择合适的代码进行编译、何时进行编译等都是JIT编译器需要解决的问题。

5. JVM性能调优

堆内存调优 ：通过调整-Xms（初始堆大小）和-Xmx（最大堆大小）来优化内存使用。
垃圾回收调优 ：选择不同的垃圾回收器（如Serial GC、Parallel GC、G1 GC等），通过-XX:+UseG1GC等参数来调节。
JVM参数调优 ：使用-Xss调整每个线程的栈大小，使用-XX:+PrintGCDetails查看GC日志。

6. JVM中的多线程和内存模型

内存模型（Java Memory Model, JMM）：定义了在多线程环境下，如何确保不同线程之间对共享变量的可见性和有序性。
同步机制 ：通过synchronized关键字和volatile变量来保证线程安全。

7. JVM常见问题

内存泄漏：即程序不断申请内存但未及时释放，导致内存占用不断增加。
OOM（OutOfMemoryError）：内存溢出，通常发生在堆内存不足时。
性能瓶颈：如GC频繁、JVM启动慢、JIT编译性能差等。

8. JVM与其他虚拟机的区别

Java与其他虚拟机（如Python的CPython、.NET的CLR等）相比，JVM的最大特点是字节码中立性，能够跨平台运行。

9. JVM的版本和工具

JVM版本：不同的JVM实现可能会有所不同，常见的有HotSpot（Oracle）、OpenJ9、GraalVM等。
工具：
- jps：查看JVM进程。
- jstack：查看线程堆栈。
- jstat：查看JVM的运行状态。
- jmap：查看堆的内存使用情况。

一、什么是直接内存？

直接内存（Direct Memory）并不是JVM运行时数据区的一部分，也不属于《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但它是Java程序在运行时经常使用的一块内存，也有可能引发OutOfMemoryError异常。

你可以把JVM管理的内存想象成一个大家庭，堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器都是这个家庭的成员，它们共同协作，支持Java程序的运行。而直接内存呢，就像是这个家庭旁边的一个邻居，虽然不属于这个家庭，但和这个家庭有着密切的联系，经常被这个家庭借用东西（内存）。

二、为什么使用直接内存？

高性能需求：直接内存的读写性能高于传统的JVM堆内存。这是因为，使用直接内存可以减少内存复制的次数。在进行大量数据的读写操作时，使用直接内存可以显著提高性能。
NIO操作：Java NIO（New Input/Output）库通过使用直接内存来提升IO操作的吞吐量。直接内存允许Java程序直接访问操作系统的内存，从而减少了数据在系统缓冲区和Java堆缓冲区之间复制的开销。
资源共享：直接内存是操作系统内存的一部分，可以被操作系统和Java程序共享访问。这使得数据处理更加高效，因为数据不需要在不同的内存区域之间来回复制。
避免垃圾回收：直接内存不受JVM的垃圾回收机制影响。这意味着，使用直接内存可以减少由于垃圾回收导致的性能波动，对一些高性能应用场景尤为重要。

三、直接内存与JVM内存的关系

虽然直接内存不属于JVM管理的内存区域，但它在Java程序中扮演着重要的角色。你可以把JVM管理的内存看作是Java程序的一个私有空间，而直接内存则是Java程序和操作系统共享的一个公共空间。

当Java程序需要执行一些高性能的IO操作时，它会向操作系统申请一块直接内存。这块内存可以被Java程序和操作系统同时访问，从而提高了数据处理的效率。

四、直接内存的使用与释放

在Java中，你可以使用ByteBuffer.allocateDirect()方法来分配一块直接内存。这个方法会返回一个DirectByteBuffer对象，它作为这块直接内存的引用。

然而，需要注意的是，直接内存的释放并不是由JVM自动完成的。当你不再需要使用这块直接内存时，你需要显式地释放它。这通常是通过调用System.gc()方法来触发垃圾回收，然后依赖Unsafe类（这是一个底层类，通常不建议直接使用）的freeMemory方法来释放直接内存。但在实际应用中，更常见的是依赖Java NIO库的内部机制来管理和释放直接内存。

五、注意事项

内存限制：直接内存的分配不会受到JVM堆大小的限制，但它仍然会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。因此，在分配直接内存时，你需要考虑到这些限制，以避免出现内存溢出的问题。
性能调优：虽然直接内存可以提高性能，但过度使用也可能导致性能下降。因此，你需要根据实际应用场景来合理分配和使用直接内存。

六、类比理解

为了更好地理解直接内存，我们可以把它比作一个快递中转站。当你需要寄送一个包裹时，你可以选择把包裹送到快递公司的中转站（直接内存），然后中转站会负责把包裹送到目的地（操作系统或Java程序）。这样，你就不需要亲自把包裹送到目的地了，从而节省了时间和精力。同样地，在Java程序中，使用直接内存可以节省数据复制的时间和内存开销，提高程序的性能。

说一下类装载的执行过程？

类加载的执行过程

在Java中，类加载指的是将类的字节码从磁盘加载到内存中的过程。理解这个过程，可以帮助我们更好地掌握Java程序的执行机制，尤其是在开发中遇到与类加载相关的问题时，可以更有效地排查和解决问题。

类加载过程的类比

想象一下，类加载就像你去图书馆借书的过程：

书馆员（类加载器）：图书馆中的书馆员就像是Java中的类加载器（ClassLoader）。当你需要某本书时，你告诉书馆员书名（类名），书馆员会负责从图书馆的书架上把那本书拿给你。
书架（JAR包、类路径）：图书馆中的书架就像是存放类文件的地方。在Java中，这些地方就是类路径（Classpath）或者是JAR包。当你请求一本书（类）时，书馆员会根据书名（类名）去书架上找到对应的书。
借书的过程（类的加载、链接、初始化） ：在你借书的过程中，书馆员不仅会拿到书，还会帮你做好一些准备工作，比如检查书籍是否损坏（验证类的有效性），是否需要进行排队（初始化类）。这相当于Java类加载过程中的加载、链接、初始化步骤。

Java类加载的三个步骤

Java中的类加载过程可以分为 加载（Loading） 、链接（Linking） 和 初始化（Initialization） 三个阶段。我们详细地解释这三个步骤：

1. 加载（Loading）

加载是指类加载器找到类的字节码并将其加载到内存中的过程。就像书馆员找到了指定书名的书并准备好借给你。

过程： 类加载器根据类的全限定名（例如：com.example.MyClass）在类路径中查找对应的字节码文件（.class文件），并将其加载到JVM的内存中。
关键点： 类加载器会返回一个Class对象，表示这个类的结构和定义。

2. 链接（Linking）

链接的目的是将类的字节码与JVM运行时的数据结构绑定在一起。这个过程可以分为三个步骤：

验证（Verification）：检查字节码文件是否符合JVM规范，确保字节码没有被篡改，不会导致JVM崩溃或出现异常行为。就像书馆员确认书籍是否破损。
准备（Preparation） ：为类的静态变量分配内存，并赋予默认值。例如，静态变量int x;会在准备阶段分配内存并赋值为0。
解析（Resolution）：将类中引用的符号（例如方法调用、字段引用等）解析为内存中的地址或实际对象。例如，将类中的方法调用指向实际的方法实现。

3. 初始化（Initialization）

初始化是类加载过程中的最后一步，指的是在类加载完成后执行静态代码块和静态变量的初始化。

过程： 在类加载并通过验证和解析后，JVM会执行类中的静态代码块，初始化静态变量。每个类只会被初始化一次。
关键点： 如果一个类有静态代码块（如static {}），它将在类加载完成后执行。比如：
java 复制代码
```
class MyClass {
    static {
        System.out.println("类初始化");
    }
}
```

类加载器的工作

在Java中，类加载器（ClassLoader）是负责加载类的对象。Java有几个重要的类加载器，它们在加载类时的职责不同：

Bootstrap ClassLoader（引导类加载器） ：负责加载Java核心类库（如java.lang.*包中的类），它是由JVM自带的，属于C++实现的。
Extension ClassLoader（扩展类加载器） ：负责加载Java扩展库中的类（jre/lib/ext目录下的类）。
System ClassLoader（系统类加载器）：负责加载类路径（Classpath）下的类。通常我们使用的类都会由系统类加载器加载。

类加载的过程图示

请求类 ：例如，程序中调用new MyClass()。
查找类 ：系统类加载器首先会查找MyClass类，找不到就交给上一级加载器（比如扩展类加载器）。
加载类：如果类存在于类路径中，加载器会将它加载到JVM中。
链接：加载完成后，进行验证、准备和解析。
初始化：最后执行静态初始化代码，类准备就绪，可以使用。

类加载的特殊情况

懒加载（Lazy Loading） ：Java中的类是按需加载的，意味着类只有在第一次使用时才会被加载，而不是在程序启动时就加载所有类。例如，只有在调用MyClass的构造函数时，MyClass类才会被加载到JVM内存中。
类加载器的父子关系：Java采用委派模型（Parent Delegation Model）来加载类，意味着子加载器在加载类时，会先委托给父加载器，如果父加载器找不到，才由子加载器负责加载。

总结

类加载过程可以类比为图书馆借书的过程，书馆员负责找到书、检查书籍并借给你。在Java中，类加载涉及三个步骤：加载、链接和初始化。每个步骤都有其独特的作用和过程。在实际开发中，我们通常需要了解如何通过类加载器来管理和加载不同的类，尤其是在复杂的企业应用中。

什么时候可以被垃圾回收？

哪些对象可以做为GC root？

在Java中，GC（垃圾收集）根对象是垃圾收集器在确定哪些对象可以被回收时开始搜索的起点。为了通俗易懂地解释这个问题，我们可以用一种类比的方法。

想象一下，你有一个非常大的仓库，里面堆满了各种箱子（对象）。这些箱子之间有一些绳子（引用）连接着。如果你要清理仓库，你肯定不想随意扔掉箱子，因为有些箱子可能还很重要。所以，你需要找到那些特别重要的箱子，也就是没有人拉的箱子，这些就可以被认为是垃圾，可以清理掉。

在Java中，GC根对象就像是那些被固定在墙上的箱子，或者是那些被外界直接持有的箱子。它们包括：

局部变量：就像你手中拿着的箱子，只要你的手（局部变量）还拿着它，这个箱子（对象）就不能被清理。
活跃线程：就像仓库中的工人，只要工人（线程）还在工作，他手中和需要的工具（对象）就不能被清理。
静态变量：就像仓库中的货架，只要货架（类）还在，放在上面的箱子（静态变量）也不能被清理。
JNI（Java Native Interface）引用：就像仓库中的一些特殊箱子，被外部系统（如本地代码）直接使用，只要外部系统还需要，这些箱子也不能被清理。
系统类加载器加载的类 ：就像仓库的基础设施，如灯光、货架等，这些都是由仓库主人（系统类加载器）提供的，只要仓库还在运营，这些基础设施（类）就不能被清理。
垃圾收集器会从这些GC根对象开始，检查所有连接的箱子（对象），找出那些没有被任何绳子（引用）连接的箱子，这些箱子就是垃圾，可以被清理。这个过程就是Java中的垃圾收集。