22、全面理解 JVM 虚拟机

# java -version
java version "1.8.0_391"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_391-b13)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.391-b13, mixed mode)

---个java文件，整体的执行过程整理如下图：

其中细节非常多，也很容易让人学得枯燥。今天主要是以实战的方式整体理解---下这些核心模块。在后续的课程中，会详细介绍每个部分的细节。

二、Class 文件规范-四十分钟

1 、Class文件结构

实际上，我们需要了解的是， Java 官方实际上只定义了JVM的---种执行规范，也就是class文件的组织规范。理论上，只要你能够写出---个符合标准的class文件，就可以丢到 JVM 中执行。至于这个class文件是怎么来的， JVM 虚拟机是不管的。这也是 JVM 支持多语言的基础。

这个规范到底是什么样子呢？当然，你可以直接去看 Oracle 的官方文档。JDK8 的文档地址： https://docs.oracl e.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html 。后面也会有课程带你详细分析每---个字节。这里，我们只抽取主体内容。

首先，我们要知道， class文件本质是---个二进制文件，虽然不能直接用文本的方式阅读，但是我们是可以用 --- 些文本工具打开看看的。比如，对于---个ByteCodeInterView.class文件，可以用 UltraEdit 工具打开---个class⽂件，看到的内容部分是这样的：

中间这---部分就是他的二进制内容。当然这是十六进制的表达。空格隔开的部分代表了 8 个bit，而每---位代表的是 4 个 bit字节，也就是---个十六进制的数字。例如第---个字母 C 就表示十六进制的 12，二进制是 1100。而所有的class文件，都必须以十六进制的 CAFEBABE 开头，这就是 JVM规范的---部分。这也解释了 Java 这个词的由来，到底是---种咖啡，还是爪哇岛。

后面的部分就比较复杂了，没法直接看。这时我们就需要用---些工具来看了。这样的工具很多。 JDK 自己就提供了---个 javap 指令可以直接来看---些class文件。例如可以用 javap -v ByteCodeInterView.class 查看到这个class⽂件的详细信息。

当然，这样还是不够直观。我们可以在 IDEA 里添加---个 ByteCodeView 插件来更直观的查看---个 ClassFile的内容。看到的大概内容是这样的：

可以看到， ---个class文件的大致组成部分。然后再结合官方的文档，或许能够让你开始对class文件有---个大致的感觉。

例如，前面u4表示四个字节是magic魔数，而这个魔数就是不讲道理的 CAFEBABE 。

而后面的两个u2，表示两个字节的版本号。例如我们用 JDK8 看我们之前的class文件， minor_version就是 00 00， major_version就是 00 34。换成二进制就是 52 。52.0 这就是 JVM 给 JDK8 分配的版本号。这两个版本号就表示当前这个class文件是由JDK8编译出来的。后续就只能用8以前版本的JVM执行。这就是JDK版本向前兼容的基础。

例如，如果你尝试用JDK8去引用Spring 6或者SpringBoot 3以后的新版本，就会报错。就是因为Spring 6和 SpringBoot 3发布出来的class文件，是用JDK17编译的，版本号是61。JDK8是无法执行的。

接下来， class文件的整体布局就比较明显了。其中常量池是最复杂的部分，包含了表示这个class文件所需要的几乎所有常量。比如接口名字，方法名字等等。而后面的几个部分，比如方法，接口等都是引用常量池中的各种变量。

详细细节，后面VIP课程会带你全程手撕。 ---个---个字节解读。

在这里，你可能会注意到---个不太起眼的小细节，常量池中的索引结构是从 1 开始的，而不是像 Java 中其他地方---样，从 0 开始。这样做的目的在于，如果后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达 "不引用任何---个常量池项目 " 的含义，就可以把索引值设定为 0 表示。

尽管 Java 发展了很多年， JDK 版本也不断更新，但是 Class 文件的结构、字节码指令的语义和数量几乎没有发生过变动，所有对 Class 文件格式的改进，都集中在方法标志、属性表这些设计上原本就是可扩展的数据结构中添加新内容。

2 、理解字节码指令

而这其中，我们重点关注的是方法，也就是class文件是如何记录我们写的这些关键代码的。例如在 ByteCodeInterView中的typeTest这个方法，在class文件中就是这样记录的：

这里每---样就是---个字节码指令。 JVM 虚拟机的字节码指令由---个字节长度的，代表着某种特定操作含义的数字(称为操作码， OpCode)以及跟随气候的零至多个代表此操作所需要的参数(称为操作数， Operand)构成。其中操作数，可以是---个具体的参数，也可以是---个指向class文件常量池的符号引用，也可以是---个指向运行时常量池中的---个方法。比如第 0 ⾏ bipush 10，操作码就是 bipush，操作数就是 10。这个指令就占据了第 0 行和第 1 行两行。而有些操作码，如 astore_1，就只有---个操作码，没有操作数。

Java 虚拟机中的操作码的长度只有---个字节(能表示的数据是0 ～255)，这意味着 JVM 指令集的操作码总数不超过 256 条。这些指令相比于庞大的操作系统来说，已经是非常小的了。另外其中还有很多差不多的。比如aload_1， aload_2 这些，明显就是同---类的指令。

这些字节码指令，在不同JDK 版本中会稍有不同。具体可以参考 Oracle 官方文档。JDK 文档地址：

这些字节码指令，在不同JDK 版本中会稍有不同。具体可以参考 Oracle 官方文档。JDK 文档地址：https://doc s.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html

如果不考虑异常的话，那么 JVM 虚拟机执行代码的逻辑就应该是这样：

这些字节码指令你看不懂？没关系，至少现在，你可以知道你写的代码在 Class 文件当中是怎么记录的了。另外，如果你还想更仔细---点的分辨你的每---样代码都对应哪些指令，那么在这个工具中还提供了---个LineNumberTable，会告诉你这些指令与代码的对应关系。

起始 PC 就是这些指令的字节码指令的行数，行号则对应 Java 代码中的行数。

实际上，Java 程序在遇到异常时给出的堆栈信息，就是通过这些数据来反馈报错行数的。

4 、字节码指令解读案例

这些字节码指令，我们后面有VIP课带你详细解读。但是，在这之前，你可能会有---个困惑。这些字节码指令是给机器看的，我要去学习这些字节码指令有什么用？接下来我们就来详细分析---个小案例，来看看了解字节码指令的必要性。

在ByteCodeInterView中，我们写了---个typeTest方法。我们重点来分析其中最容易让人产生困惑的几行代码

java 复制代码

Integer i1 = 10;
Integer i2 = 10;
System.out.println(i1 == i2);//true

Integer i3 = 128;
Integer i4 = 128;
System.out.println(i3 == i4);//false

执行结果注释在了后面。这些莫名其妙的true和false是怎么蹦出来的？如果你之前恰巧刷到过这样的面试题，或许你会记得这是因为JAVA的基础类型装箱机制引起的小误会。但是如果你没背过呢？或者JAVA中还有很多类似的让人抓狂的面试题，你也---个---个去背吗？那要怎么彻底了解这---类问题呢？你最终还是要学会自己看懂这些字节码指令。

首先，我们可以从LineNumberTable 中获取到这几行代码对应的字节码指令：

以前面三行为例，三行代码对应的 PC 指令就是从 0 到 12 号这几条指令。把指令摘抄下来是这样的：

java 复制代码

0 bipush 10
2 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf : (I)Ljava/lang/Integer;>
5 astore_1
6 bipush 10
8 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf : (I)Ljava/lang/Integer;>
11 astore_2
12 getstatic #3 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>

可以看到，在执行astore指令往局部变量表中设置值之前，都调用了---次Integer.valueOf方法。

而在这个方法中，对于[-128,127]范围内常用的数字，实际上是构建了缓存的。每次都从缓存中获取---个相同的值，他们的内存地址当然就是相等的了。这些童年梦魇，是不是在这个过程中找到了终极答案？

另外，在这个过程中，我们也看到了在JVM中，是通过---个invokestatic指令调用---个静态方法。实际上JDK中还有以下几个跟方法调用相关的字节码指令:

. invokevirtual 指令:用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派(虚方法分派)，这也是Java 语言中最常见的方法分派方式。
. invokeinterface 指令:用于调用接口方法，它会在运行时搜索---个实现了这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用。
. invokespecial 指令:用于调用---些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法私有方法和父类方法。
. invokestatic 指令:用于调用类静态方法(static 方法)。
. invokedynamic 指令:用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法。并执行该方法。前面四条调用指令的分派逻辑都固定在 Java虚拟机内部，用户无法改变，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。 Java 从诞生到现在，只增加过---条指令，就是invokedynamic。自 JDK7 支持并开始进行改进，这也是为 JDK8 实现Lambda表达式而做的技术储备。
方法调用指令与数据类型无关，而方法返回指令是根据返回值的类型区分的。包括return(返回值是boolean****,byte,char,short,int)， lreturn, freturn, return , areturn 。另外还有---条return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的类初始化方法使用。
面试题：Java 当中的静态方法可以被子类重写吗？

高手答案：不能。因为在 JVM 中，调用方法提供了几个不同的字节码指令。 invokcvirtual 调用对象的虚方法 (也就是可被子类重写的这些方法) 。invokespecial 根据编译时类型来调用实例方法，比如静态代码块(通常对应字节码层面的cinit 方法)，构造方法(通常对应字节码层面的init方法) 。invokestatic 调用类（静态）方法。 invokcinterface 调用接口方法。

静态方法和可重写的方法他们的调用指令都是不---样的，那么肯定是无法重写静态方法的。

5 、深入字节码理解try-cache-finally的执行流程

在之前解读字节码时，你们可能会注意到，在字节码指令的上面，有---个异常表的标签。这个异常表就是用来控制抛出异常的情况下的处理流程。我们用下面---个简单代码来做演示：

java 复制代码

public int inc(){
    int x;
    try{
        x=1;
        return x;
    }catch (Exception e){
        x = 2;
        return x;
    }finally {
        x = 3;
    }
}

这个方法编译出的字节码是这样的：

try-catch-finally的指令提现在哪里呢？这些就在旁边的异常表中。

其实，对照源代码，你大概也应该能够猜到这个异常表的表现形式。异常表中每---行代表---个执行逻辑的分支。表示当字节码从《起始 PC》到《结束 PC》(不包含结束 PC)之间出现了类型为《捕获异常》或者其子类的异常时，就跳转到《跳转 PC》处进行处理。

可以看到，这里定义了三条明显的执行路径，分别是：

. 如果try语句块中出现了属于 Exception 或者其子类的异常，转到catch语句块处理。
. 如果try语句块中出现了不属于 Exception 或其子类的异常，转到finally语句块处理。
. 如果catch语句块中出现了任何异常，转到finally语句块处理。

补充知识点：字节码指令是如何工作的？

要了解这些指令的作用，就不得不先了解---下 JVM 中两个重要的数据结构：局部变量表和操作数栈。

在 JVM 虚拟机中，会为每个线程构建---个线程私有的内存区域。其中包含的最重要的数据就是程序计数器和虚拟机栈。其中程序计数器主要是记录各个指令的执行进度，用于在 CPU 进行切换时可以还原计算结果。虚拟机栈中则包含了这个线程运行所需要的重要数据。

虚拟机栈是---个先进后出的栈结构，其中会为线程中每---个方法构建---个栈帧。而栈帧先进后出的特性也就对应了我们程序中每个方法的执行顺序。每个栈帧中包含四个部分，局部变量表，操作数栈，动态链接库、返回地址。

操作数栈是---个先进后出的栈结构，主要负责存储计算过程中的中间变量。操作数栈中的每---个元素都可以是包括long型和double在内的任意 Java 数据类型。

局部变量表可以认为是---个数组结构，主要负责存储计算结果。存放方法参数和方法内部定义的局部变量。以 Slot 为最小单位。

动态链接库主要存储---些指向运行时常量池的方法引用。每个栈帧中都会包含---个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的应用，持有这个引用是为了支持方法动态调用过程中的动态链接。

返回地址存放调用当前方法的指令地址。 ---个方法有两种退出方式， ---种是正常退出， ---种是抛异常退出。如果方法正常退出，这个返回地址就记录下---条指令的地址。如果是抛出异常退出，返回地址就会通过异常表来确定。

附加信息主要存放---些 HotSpot 虚拟机实现时需要填入的---些补充信息。这部分信息不在 JVM 规范要求之内，由各种虚拟机实现自行决定。

其中最为重要的就是操作数栈和局部变量表了。例如，对于初学者最头疼的++操作，下面的 mathTest ⽅法

java 复制代码

public int mathTest(){
    int k = 1 ;
    k = k++;
    return k;
}

我们都知道k的返回结果是 1，但是++ 自增操作到底有没有执行呢？就可以按照指令这样进行解释：

java 复制代码

0 iconst_1   //往操作数栈中压入---个常量1
1 istore_1    // 将  int 类型值从操作数栈中移出到局部变量表1 位置
2 iload_1   // 从局部变量表1 位置装载int 类型的值到操作数栈中
3 iinc 1 by 1  // 将局部变量表   1 位置的数字增加  1
6 istore_1  // 将int类型值从操作数栈中移出到局部变量表1 位置
7 iload_1  // 从局部变量表1 位置装载int 类型的值到操作数栈中
8 ireturn  // 从操作数栈顶，返回  int 类型的值

这个过程中， k++是在局部变量表中对数字进行了自增，此时栈中还是 1。接下来执行=操作，就对应---个 istore指令，从栈中将数字装载到局部变量表中。局部变量表中的k的值(对应索引 1 位置)，就还是还原成了 1。

那么接下来，你是不是可以自行理解---下 k=++k，是怎么执行的呢？

另外，这里补充---个在互联网大厂的高级职位面试过程中被问到过的细节问题：

如何确定---个方法需要多大的操作数栈和局部变量？

实际上，每个方法在执行前都需要申请对应的资源，主要是内存。如果内存空间不够，就要在执行前直接抛出异常，而不能等到执行过程中才发现要用的内存空间申请不下来。

有些面试时，是会给你---个具体的方法，让你自己---下计算过程中需要几个操作数栈和几个局部变量。这是对算法的基础要求。但是在工作中，其实class文件当中就记录了所需要的操作数栈深度和局部变量表的槽位数。例如对于 mathTest方法，所需的资源在工具中的纪录是这样的：

这里会有---个小问题，如果你自己推演过刚才的计算过程，可以看到，局部变量表中，明明只用到了索引为 1 的---个位置而已，为什么局部变量表的最大槽数是 2 呢？

这是因为对于非静态方法， JVM 默认都会在局部变量表的 0 号索引位置放入this变量，指向对象自身。所以我们可以在代码中用this访问自己的属性。

---个槽可以存放 Java 虚拟机的基本数据类型，对象引用类型和returnAddress类型

三、类加载-二十分钟

Class文件中已经定义好了---个Java程序执行的全部过程，接下来就是要扔到JVM中执行。既然要执行，就少不了类加载的模块。而好玩的是，类加载模块是少数几个可以在Java代码中扩展的JVM底层功能。

类加载模块在JDK8之后，发生了非常重大的变化。后续以JDK8为主。JDK8以后的类加载功能，会在后续课程中介绍。

1 、JDK8的类加载体系

有了 Class 文件之后，接下来就需要通过类加载模块将这些 Class 文件加载到 JVM 内存当中，这样才能执行。而关于类加载模块，以 JDK8 为例，最为重要的内容我总结为三点

每个类加载器对加载过的类保持---个缓存。
双亲委派机制，即向上委托查找，向下委托加载。
沙箱保护机制。

2、双亲委派机制

JDK8中的类加载器都继承于---个统---的抽象类ClassLoader，类加载的核心也在这个父类中。其中，加载类的核心方法如下：

java 复制代码

//类加载器的核心方法
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
    // 每个类加载起对他加载过的类都有---个缓存，先去缓存中查看有没有加载过
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {】
        //没有加载过，就走双亲委派，找父类加载器进行加载。
        long t0 = System.nanoTime();
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
    }

    if (c == null) {
        long t1 = System.nanoTime();
        // 父类加载起没有加载过，就自行解析class文件加载。
        c = findClass(name);

        sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
        sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
        sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
    }
}
//这---段就是加载过程中的链接Linking部分，分为验证、准备，解析三个部分。
// 运行时加载类，默认是无法进行链接步骤的。
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
       return c;
    }
}

这个方法里，就是最为核心的双亲委派机制。

并且，这个方法是protected声明的，意味着，是可以被子类覆盖的，所以，双亲委派机制也是可以被打破的。

为什么要打破双亲委派呢？想想Tomcat要如何加载webapps目录下的多个不同的应用？

而关于类加载机制的所有有趣的玩法，也都在这个核心方法里。比如class文件加密加载，热加载等。

3、沙箱保护机制

双亲委派机制有---个最大的作用就是要保护JDK内部的核心类不会被应用覆盖。而为了保护JDK内部的核心类， JAVA在双亲委派的基础上，还加了---层保险。就是ClassLoader中的下面这个方法。

java 复制代码

private ProtectionDomain preDefineClass(String name,
ProtectionDomain pd)
{
    if (!checkName(name))
        throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);
        // 不允许加载核心类
        if ((name != null) && name.startsWith("java.")) {
            throw new SecurityException
            ("Prohibited package name: " +
            name.substring(0, name.lastIndexOf( '. ')));
        }
    if (pd == null) {
        pd = defaultDomain;
    }
    if (name != null) checkCerts(name, pd.getCodeSource());
    return pd;
 }

这个方法会用在JAVA在内部定义---个类之前。这种简单粗暴的处理方式，当然是有很多时代的因素。也因此在 JDK中，你可以看到很多javax开头的包。这个奇怪的包名也是跟这个沙箱保护机制有关系的。

4、类和对象有什么关系

通过类加载模块，我们写的class文件就可以加载到JVM当中。但是类加载模块针对的都是类，而我们写的java程序都是基于对象来执行。类只是创建对象的模板。那么类和对象倒是什么关系呢？

首先：类 Class 在 JVM 中的作用其实就是---个创建对象的模板。也就是说他的作用更多的体现在创建对象的过程当中。而在程序具体执行的过程中，主要是围绕对象在进行，这时候类的作用就不大了。因此，在 JVM 中，类并不直接保存在最宝贵最核心的堆内存当中，而是挪到了堆内存以外的---部分内存中。这部分内存，在 JDK8 以前被成为永久带PermSpace，而在 JDK8 之后被改为了元空间 MetaSpace。

堆空间可以理解为JVM的客厅，所有重要的事情都在客厅处理。元空间可以理解为JVM的库房，东西扔进去基本上就很少管了。

这个元空间逻辑上可以认为是堆空间的---部分，但是他跟堆空间有不同的配置参数，不同的管理方式。因此也可以看成是单独的---块内存。这---块内存就相当于家里的工具间或者地下室，都是放---些用得比较少的东西。最主要就是类的---些相关信息，比如类的元数据、版本信息、注解信息、依赖关系等等。

元空间可以通过-XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize参数设置大小。但是大部分情况下，你是不需要管理元空间大小的， JVM 会动态进行分配。

另外，这个元空间也是会进行 GC 垃圾回收的。如果---个类不再使用了， JVM 就会将这个类信息从元空间中删除。但是，显然，对类的回收效率是很低的。只有---些自定义类加载器自行加载的---些类有被回收的可能，大部分情况下，类是不会被回收的。所以堆元空间的垃圾回收基本上是很少有效果的。大部分情况下，我们是不需要管元空间的。除非你的JVM 内存确实非常紧张，这时可以设定 -XX:MaxMetaspaceSize参数，严格控制元空间大小。

然后：在我们创建的每---个对象中，JVM也会保存对应的类信息。

在堆中，每---个对象的头部，还会保存这个对象的类指针(classpoint)，指向元空间中的类。这样我们就可以通过 ---个对象的getClass方法获取到对象所属的类了。这个类指针，我们也是可以通过---个小工具观察到的。

例如，下面这个 Maven依赖就可以帮我们分析---个对象在堆中保存的信息。

XML 复制代码

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.17</version>
</dependency>

然后可以用以下方法简单查看---下对象的内存信息。

java 复制代码

public class JOLDemo {
    private String id;
    private String name;
    public static void main(String[] args) {
        JOLDemo o = new JOLDemo();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

        synchronized (o){
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
    }
}

看到的结果大概是这样：

这里ClassPoint 实际上就是---个指向元空间对应类的---个指针。当然，具体结果是被压缩过的。

另外Markdown标志位就是对象的---些状态信息。包括对象的 HashCode，锁状态， GC分代年龄等等。

这里面锁机制是面试最喜欢问的地方。无锁、偏向锁(新版本 JDK 中已经废除)、轻量级锁、重量级锁这些东西，都是在Markdown中记录的。

四、执行引擎

之前已经看到过，在 Class 文件当中，已经明确的定义清楚了程序的完整执行逻辑。而执行引擎就是将这些字节指令转为机器指令去执行了。这一块更多的是跟操作系统打交道，对开发工作其实帮助就不是很大了。所以，如果不是专门研究语言，执行引擎这一块就没有必要研究太深了。

1、解释执行与编译执行

VM 中有两种执行的方式：

解释执行就相当于是同声传译。JVM 接收一条指令，就将这条指令翻译成机器指令执行。
编译执行就相当于是提前翻译。好比领导发言前就将讲话稿提前翻译成对应的文本，上台讲话时就可以照着念了。编译执行也就是传说中的 JIT 。

大部分情况下，使用编译执行的方式显然比解释执行更快，减少了翻译机器指令的性能消耗。而我们常用的 HotSpot 虚拟机，最为核心的实现机制就是这个 HotSpot 热点。他会搜集用户代码中执行最频繁的热点代码，形成CodeCache，放到元空间中，后续再执行就不用编译，直接执行就可以了。

但是编译执行起始也有一个问题，那就是程序预热会比较慢。毕竟作为虚拟机，你不可能提前预知到程序员要写一些什么稀奇古怪的代码，也就不可能把所有代码都提前编译成模板。而将执行频率并不高的代码也编译保存下来，也是得不偿失的。所以，现在JDK 默认采用的就是一种混合执行的方式。他会自己检测采用那种方式执行更快。虽然你可以干预 JDK 的执行方式，但是在绝大部分情况下，都是不需要进行干预的。

另外，现在也有一种提前编译模式，AOT 。可以直接将Java 程序编译成机器码。比如GraalVM，可以直接将 Java 程序编译成可执行文件，这样就不需要 JVM 虚拟机也能直接在操作系统上执行。

关于 AOT 是不是会一统天下，也是现在面试中比较喜欢问的问题。虽然在 SpringBoot3 等框架中已经有了落地，但是从目前来看，AOT还远没有成为主流，离一统天下还有点距离。

少了 JVM 这个中间商之后，虽然大部分情况下是可以提升程序执行性能的，但是，也并不是就完美无缺了。毕竟很显然，这种方式其实是以丧失一定的跨平台特性作为代价的。

要注意，目前 AOT 这种方式还是不太安全的。毕竟 JVM 打了这么多年的怪，什么牛鬼蛇神都见多了。现在 AOT 要绕开 JVM，那么这些怪就都要自己去打了。中间有个什么疏忽，那是难免的。

2、编译执行时的代码优化

热点代码会触发 JIT 实时编译，而JIT 编译运用了一些经典的编译优化技术来实现代码的优化，可以智能地编译出运行时的最优性能代码。

HotSpot虚拟机中内置了两个（或三个）即时编译器，其中有两个编译器存在已久，分别被称为"客户端编译器"（Client Compiler）和"服务端编译器"（Server Compiler），或者简称为C1编译器和C2编译器（部分资料和JDK源码中C2也叫Opto编译器），第三个是在JDK 10时才出现的、长期目标是代替C2的Graal编译器。Graal编译器采用 Java 语言编写，因此生态的活力更强。并由此衍生出了 GraalVM 这样的支持实时编译的产品。也就是绕过 Class 文件，直接将 Java 代码编译成可在操作系统本地执行的应用程序。这也就是 AOT 技术Ahead Of Time。

C1 会对字节码进行简单和可靠的优化，耗时短，以达到更快的编译速度。启动快，占用内存小，执行效率没有server快。默认情况下不进行动态编译，适用于桌面应用程序。

C2 进行耗时较长的优化，以及激进优化，但优化的代码执行效率更高。启动慢，占用内存多，执行效率高，适用于服务器端应用。默认情况下就是使用的 C2 编译器。并且，绝大部分情况下也不建议特意去使用 C1。

由于即时编译器编译本地代码需要占用程序运行时间，通常要编译出优化程度越高的代码，所花费的时间便会越长；而且想要编译出优化程度更高的代码，解释器可能还要替编译器收集性能监控信息，这对解释执行阶段的速度也有所影响。为了在程序启动响应速度与运行效率之间达到最佳平衡，HotSpot虚拟机在编译子系统中加入了分层编译的功能，分层编译根据编译器编译、优化的规模与耗时，划分出不同的编译层次，其中包括：

第0层。程序纯解释执行，并且解释器不开启性能监控功能（Profiling）。
第1层。使用C1编译器将字节码编译为本地代码来运行，进行简单可靠的稳定优化，不开启性能监控功能。
第2层。仍然使用C1编译器执行，仅开启方法及回边次数统计等有限的性能监控功能。
第3层。仍然使用C1编译器执行，开启全部性能监控，除了第2层的统计信息外，还会收集如分支跳转、虚方法调用版本等全部的统计信息。
第4层。使用C2编译器将字节码编译为本地代码，相比起C1编译器，C2编译器会启用更多编译耗时更长的优化，还会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化。

JDK8 中提供了参数 -XX:TieredStopAtLevel=1 可以指定使用哪一层编译模型。但是，除非你是JVM 的开发者，否则不建议干预 JVM 的编译过程。

3、静态执行与动态执行

静态执行指在 Class 文件编译过程中就已经确定了执行方法。动态执行指需要在运行期间才能确定调用哪个方法。比如多个重载的方法，需要根据传入类型确定调用哪个方法。

动态执行更多的是关联到invokedynamic指令。在JVM的语言体系中，以Scala为代表的函数式的编程方式会越来越重要，到时候动态执行也会随之变得更为重要。

五、GC 垃圾回收

执行引擎会将class文件扔到JVM的内存当中运行。在运行过程中，需要不断的在内存当中创建并销毁对象。在传统C/C++语言中，这些销毁的对象需要手动进行内存回收，防止内存泄漏。而在Java当中，实现了影响深远的GC垃圾回收机制。

GC 垃圾自动回收，这个可以说是 JVM 最为标志性的功能。不管是做性能调优，还是工作面试，GC 都是 JVM 部分的重中之重。而对于 JVM 本身，GC 也是不断进行设计以及优化的核心。几乎 Java 提出的每个版本都对 GC 有或大或小的改动。这里，我就用目前还是用得做多的 JDK8，带大家快速梳理一下 GC 部分的主线。

1 、垃圾回收器是干什么的

在了解 JVM之前，给大家推荐一个工具，阿里开源的 Arthas 。官网地址：arthas 。这个工具功能非常强大，是对 Java进程进行性能调优的一个非常重要的工具，对于了解 JVM 底层帮助也非常大。

具体使用方式参照官方文档。

我们先运行一个简单的 Java 程序：

java 复制代码

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List l = new ArrayList<>();
        for(int i = 0 ; i < 100_0000 ; i ++){
            l.add(new String("dddddddddddd"));
            Thread.sleep(100);
        }
    }
}

运行后，使用Arthas 的dashboard指令，可以查看到这个 Java 程序的运行情况。

重点关注中间的 Memory 部分，这一部分就是记录的 JVM 的内存使用情况。而后面的 GC 部分就是垃圾回收的执行情况。我们就从这些能看到的部分作为入口，来理解一下一个 Java 进程是怎么管理他的内存的。

从 Memory 部分可以看到，一个 Java 进程会将他管理的内存分为heap堆区和nonheap非堆区两个部分。其中非堆区的几个核心部分像code_cache(热点指令缓存)，metaspace(元空间),compressed_class_space(压缩类空间)我们之前都接触到了。这一部分就相当于 Java 进程中的地下室，属于不太活跃的部分。而中间heap堆区就相当于客厅了，属于Java 中最为核心的部分。而这其中，又大体分为了eden_space，survivor_space和old_gen三个大的部分，这就是 JVM 内存的主体。我们之前分析的栈区，这里没有列出。

整体内存布局如下图：

其中堆区是 JVM 核心的存放对象的内存区域。他的大小可以由参数 -Xms(初始堆内存大小)，-Xmx(最大堆内存)参数指令。从这两个参数可以看到，堆内存是可以扩展的。如果初始内存不够，JVM 会扩大堆内存。但是如果内存扩展到了最大堆内存时还不够。这时就无法继续扩展了，而是会抛出 OOM 异常。这两个参数在生产环境中最好设置成一样，减少内存扩展时的性能消耗。

而GC垃圾回收器，就是要对这些内存空间进行及时回收，从而让这些内存可以重复利用。

2、分代收集模型

不同GC，对内存的管理和回收的方式都是不同的。但是这其中面试最喜欢问的，就是关于垃圾分代收集模型。

在Memor部分还可以看到多次出现了 ps_ 这样的字样。这其实就代表JDK8默认的垃圾回收器Parallel Scavenge。

其整体的工作机制如下图：

JAVA做过统计，80%的对象都是"朝生夕死"。这些对象，被集中放在了一块比较小的内存空间当中，快速创建，快速回收，这块内存区域就是年轻代。在年轻代会非常频繁的进行垃圾回收，称为YoungGC。而年轻代又会被进一步划分为一个eden_space和两个survivor。这三个区域的大小比例默认是 8:1:1。

另外少部分需要长期使用的对象，被放到另一块竞争没有那么激烈的对象，则被放到另外一块比较大的内存空间当中，长期保持，这块内存就是老年代。在老年代，垃圾回收的频率则会相对比较低，只有空间不够时才进行，称为OldGC。

年轻代与老年代默认的大小比例是 1:2。

常见的分代收集模型中，对象会优先在eden区创建，经过一次YoungGC后，如果没有被回收，就会被移动到一个survivor区。接下来，下一次YoungGC时，又会被移动到另一块Survivor区。每移动一次，记录一个分代年龄。直到分代年龄太大了(默认是16)，就会被移动到老年代。到老年代后，对象就不再记录分代年龄了，在老年代安安静静的用到退休。

这就是JDK最有代表性的分代年龄收集机制。通过分代收集机制，JVM可以对不同的对象采取不同的回收策略，从而提高垃圾回收的效率。

当然，分代收集机制在具体实现过程中，还需要根据具体情况提供更多优化机制。后续会带大家详细了解。

比如，如果小 O 占用内存非常小，那么在创建小 O 时，JVM 会在Eden_space中单独划分出一小片线程专属的内存空间，称为 TLAB 。小 O 就在 TLAB 中创建。由于 TLAB 空间是线程私有的，所以就可以避免多个线程之间的资源争抢。

另外，如果小 O 占用的内存非常大，Eden_space都装不下。这时小 O 就会跳过年轻代，直接进入老年代。

3 、JVM中有哪些垃圾回收器？

java 从诞生到现在最新的 JDK21 版本，总共就产生了以下十个垃圾回收器

其中，左边的都是分代算法。也就是将内存划分为年轻代和老年代进行管理。而有虚线的部分表示可以协同进行工作。JDK8默认就是使用的Parallel Scavenge和Parallel Old的组合。也就是在arthas的dashboard中看到的ps。

右侧的是不分代算法。也就是不再将内存严格划分位年轻代和老年代。JDK9 开始默认使用 G1。而 ZGC是目前最先进的垃圾回收器。shennandoah则是OpenJDK 中引入的新一代垃圾回收器，与 ZGC 是竞品关系。Epsilon是一个测试用的垃圾回收器，根本不干活。

关于垃圾回收器的细节，后续的VIP课程会详细分析。

六、 GC 情况分析实例

关于各个垃圾回收器的细节，后面的课程会做更深入的分享。这里我们只关心GC和开发工作的关系。GC可以说是决定JAVA程序运行效率的关键。因此我们一定要学会定制GC参数，以及分析GC日志。

1、如何定制GC运行参数

在现阶段，各种GC垃圾回收器都只适合一个特定的场景，因此，我们也需要根据业务场景，定制合理的GC运行参数。

另外，JAVA程序在运行过程中要处理的问题是层出不穷的。项目运行期间会面临各种各样稀奇古怪的问题。比如 CPU 超高，FullGC 过于频繁，时不时的 OOM 异常等等。这些问题大部分情况下都只能凭经验进行深入分析，才能做出针对性的解决。

如何定制JVM运行参数呢？首先我们要知道有哪些参数可以供我们选择。

关于 JVM 的参数，JVM 提供了三类参数。

一类是标准参数，以-开头，所有 HotSpot 都支持。例如java -version。这类参数可以使用java -help 或者java -? 全部打印出来

二类是非标准参数，以-X 开头，是特定 HotSpot版本支持的指令。例如java -Xms200M -Xmx200M。这类指令可以用java -X 全部打印出来。

最后一类，不稳定参数，这也是 JVM调优的噩梦。以-XX 开头，这些参数是跟特定HotSpot版本对应的，很有可能换个版本就没有了。详细的文档资料也特别少。JDK8 中的以下几个指令可以帮助开发者了解 JDK8 中的这一类不稳定参数。

java 复制代码

java -XX:+PrintFlagsFinal:所有最终生效的不稳定指令。
java -XX:+PrintFlagsInitial:默认的不稳定指令
java -XX:+PrintCommandLineFlags:当前命令的不稳定指令 --这里可以看到是用的哪种GC。 JDK1.8默认用的ParallelGC

2、打印GC日志

有了手段之后，我们最主要的就是要能快速发现问题。

对 JVM 虚拟机来说，绝大多数的问题往往都跟堆内存的 GC 回收有关。因此下面几个跟 GC 相关的日志打印参数是必须了解的。这通常也是进行 JVM 调优的基础。

 -XX:+PrintGC: 打印GC信息类似于-verbose:gc

 -XX:+PrintGCDetails: 打印GC详细信息，这里主要是用来观察FGC的频率以及内存清理效率。

 -XX:+PrintGCTimeStamps 配合 -XX:+PrintGC使用。在 GC 中打印时间戳。

 -XX:PrintHeapAtGC: 打印GC前后的堆栈信息

 -Xloggc:filename : GC日志打印文件。

不同 JDK 版本会有不同的参数。比如 JDK9 中，就不用分这么多参数了，可以统一使用-X-log:gc* 通配符打印所有的 GC 日志。

例如下面一个简单的示例代码：

java 复制代码

public class GcLogTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            byte[] arr = new byte[1024 * 100];//100KB
            list.add(arr);
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

然后在执行这个方法时，添加以下 JVM 参数：

复制代码

-Xms60m -Xmx60m -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails

执行后，可以看到类似这样的输出信息。

这里面就记录了两次 MinorGC 和两次 FullGC 的执行效果。另外，在程序执行完成后，也会打印出 Heap 堆区的内存使用情况。

当然，目前这些日志信息只是打印在控制台，你只能凭经验自己强行去看。接下来，就可以添加-Xloggc参数，将日志打印到文件里。然后拿日志文件进行整体分析。

3、GC日志分析

这些GC日志隐藏了项目运行非常多隐蔽的问题，要如何发现其中的这些潜在的问题呢？

这里推荐一个开源网站 https://www.gceasy.io/ 这是国外一个开源的GC 日志分析网站。你可以把 GC 日志文件直接上传到这个网站上，他就会分析出日志文件中的详细情况。

这是个收费网站，但是有免费使用的额度。

例如，在我们之前的示例中，添加一个参数 -Xloggc:./gc.log ，就可以将GC日志打印到文件当中。接下来就可以将日志文件直接上传到这个网站上。网站就会帮我们对GC情况进行分析。示例文件得到的报告是这样的：

通过这个报告，可以及时发现项目运行可能出现的一些隐藏问题。并且这个报告也提供了一些具体的修改意见。当然，如果你觉得这些建议还不够满意，那么报告中还提供了非常详细的指标分析，通过这些指标，你可以进一步的分析问题，寻找新的改进方向。

如果是你们自己开发的项目，那么接下来，根据这些建议和数据，做进一步的分析，调整参数，优化配置。到这里，恭喜你，架构师的绝活-JVM调优，你就算是正式入门了。

章节总结

聊到这里，你对于 JVM 是不是开始有一点感觉了？在这个过程当中，你是不是还有很多细节方面的疑问？保持这些疑问，这将成为你后续深入学习那些晦涩枯燥的底层理论的动力。这不会是一个容易的过程。但是，有挑战才更有价值不是吗？