Java学习第六十部分——JVM

目录

[一. 关键概述](#一. 关键概述)

[二. 核心功能](#二. 核心功能)

[三. 组成架构](#三. 组成架构)

[1. 类加载子系统 (ClassLoader)](#1. 类加载子系统 (ClassLoader))

[2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas)](#2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas))

[3. 执行引擎 (Execution Engine)](#3. 执行引擎 (Execution Engine))

[四. 类加载机制](#四. 类加载机制)

[五. 垃圾回收 (GC)](#五. 垃圾回收 (GC))

[六. JIT 编译器 (Just-In-Time)](#六. JIT 编译器 (Just-In-Time))

[七. 调优参数示例](#七. 调优参数示例)

[八. 常见问题与工具](#八. 常见问题与工具)

[九. 与 JDK/JRE 的关系](#九. 与 JDK/JRE 的关系)

[十. 调优与监控](#十. 调优与监控)

[十一. 常见实现](#十一. 常见实现)

[十二. 简单示例](#十二. 简单示例)

[十三. 总结归纳](#十三. 总结归纳)

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一. 关键概述

Java 虚拟机（JVM，Java Virtual Machine）是 Java 平台的核心组成部分，负责将编译后的字节码（`.class` 文件）解释或编译为机器码，并在不同操作系统上实现"一次编写，到处运行"（Write Once, Run Anywhere）的跨平台特性。

二. 核心功能

• **跨平台执行：**将字节码翻译成不同操作系统的本地机器指令。

• **内存管理：**自动分配/回收内存（堆、栈等），避免手动管理错误。

• **垃圾回收 (GC)：**自动回收无用的对象内存。

• **字节码执行：**通过解释器或 JIT 编译器执行字节码。

三. 组成架构

1. 类加载子系统 (ClassLoader)

组件	功能描述	关键特性
Bootstrap ClassLoader	加载 JAVA_HOME/lib 的核心类库（如 rt.jar）	由 C++ 实现，JVM 自身的一部分
Extension ClassLoader	加载 JAVA_HOME/lib/ext 目录的扩展类库	继承自 URLClassLoader，父加载器为 Bootstrap
Application ClassLoader	加载用户类路径（classpath）的类	默认线程上下文类加载器，父加载器为 Extension
双亲委派模型	加载类时优先委派父类加载器处理	避免核心类被篡改（如自定义 java.lang.String），确保安全性和类唯一性

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2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas)

内存区域	存储内容	特性
方法区 (Method Area)	类元数据（类名、字段、方法）、常量池、静态变量	JDK 8+ 由元空间 (Metaspace) 实现，使用本地内存，替代永久代（PermGen）
堆 (Heap)	对象实例和数组	垃圾回收主区域 ，分为： - 新生代（Eden + Survivor From/To） - 老年代
虚拟机栈 (JVM Stack)	每个线程私有，存储栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口）	方法调用压栈，返回弹栈；可能抛出 StackOverflowError
本地方法栈	服务于 Native 方法（如 JNI 调用的 C/C++ 代码）	与虚拟机栈类似，但针对本地方法
程序计数器 (PC Register)	记录当前线程执行的字节码指令地址	唯一不会发生 OOM 的区域，线程私有

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3. 执行引擎 (Execution Engine)

组件	功能描述	关键实现
解释器 (Interpreter)	逐行解释字节码为机器码执行	启动速度快，但运行时效率低
JIT 编译器	将热点代码（高频方法/循环）编译为本地机器码	HotSpot 使用分层编译： - C1 编译器（客户端，快速优化） - C2 编译器（服务端，深度优化）
垃圾回收器 (GC)	自动回收无引用对象的内存	主流算法与收集器 ： - 新生代：复制算法 （Parallel Scavenge） - 老年代：标记-清除/整理 （CMS） - G1 GC （JDK9+ 默认）：区域化分代 + 可预测停顿 - ZGC（JDK11+）：低延迟（<10ms）、TB 级

核心关系总结

• 类加载 → 运行时数据区：

ClassLoader 加载的类元数据存储于方法区，对象实例分配在堆中。

• 执行引擎 → 运行时数据区：

解释器/JIT 执行栈中方法的字节码；GC 管理堆内存的回收。

• 线程私有区域：

每个线程独立拥有：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

四. 类加载机制

类加载分三个阶段：
1. **加载 (Loading)**

• 通过类加载器（`ClassLoader`）加载 `.class` 文件到内存。

• 类加载器层级：

• **Bootstrap ClassLoader**（加载核心库如 `rt.jar`）

• **Extension ClassLoader**（加载扩展库）

• **Application ClassLoader**（加载用户类路径）

• **自定义 ClassLoader**（用户扩展）。
  2. **链接 (Linking)**

• 验证字节码合法性 → 准备（为静态变量分配内存）→ 解析（符号引用转直接引用）。
  3. **初始化 (Initialization)**

• 执行静态代码块和静态变量赋值（如 `static int x = 10;`）。

五. 垃圾回收 (GC)

- **回收对象**： 无引用指向的对象（如超出作用域的局部变量）。
- **GC 算法**：

• **分代收集**：堆分为 **新生代 (Young)** 和 **老年代 (Old)**。

• 新生代：使用 **复制算法**（Eden + Survivor 区）。

• 老年代：使用 **标记-清除** 或 **标记-整理** 算法。

• **垃圾收集器**：

• **Serial GC**：单线程，适合小应用。

• **Parallel GC**（默认）：多线程，吞吐量优先。

• **CMS** / **G1 GC**：低延迟，减少 STW（Stop-The-World）时间。

• **ZGC** / **Shenandoah**（JDK 15+）：超低延迟（<10ms）。

六. JIT 编译器 (Just-In-Time)

• **热点代码优化**：频繁执行的字节码会被编译成本地机器码（如循环、高频方法）。

• **解释器 vs JIT**：解释器逐行执行字节码（启动快）；JIT 编译后执行（运行快）。

七. 调优参数示例

堆内存设置

-Xms512m # 初始堆大小（默认物理内存 1/64）

-Xmx1024m # 最大堆大小（默认物理内存 1/4）

-XX:NewRatio=2 # 老年代:新生代 = 2:1

-XX:SurvivorRatio=8 # Eden:Survivor = 8:1

垃圾回收器选择

-XX:+UseG1GC # 启用 G1 收集器

-XX:+UseConcMarkSweepGC # 启用 CMS 收集器

元空间设置（JDK 8+）

-XX:MetaspaceSize=128m

-XX:MaxMetaspaceSize=256m

八. 常见问题与工具

- **内存泄漏**： 对象被意外保留引用（如静态集合类持续增长）。
- **OOM (OutOfMemoryError)**： 堆/元空间不足。
- **诊断工具**：

• **jconsole** / **VisualVM**：图形化监控堆、线程、类加载。

• **jstack**：分析线程堆栈（死锁检测）。

• **jmap**：导出堆内存快照（配合 **MAT** 工具分析内存泄漏）。

• **jstat**：监控 GC 状态（`jstat -gcutil <pid> 1000`）。

九. 与 JDK/JRE 的关系

• **JDK (Java Development Kit)**：开发工具包（含 JRE + 编译器 `javac`）。

• **JRE (Java Runtime Environment)**：运行环境（含 JVM + 基础库）。

• **JVM**：执行引擎，是 JRE 的子集。

十. 调优与监控

- **常用参数**：

• 堆大小：`-Xms`（初始堆）、`-Xmx`（最大堆）。

• 新生代比例：`-XX:NewRatio`。

• GC 日志：`-Xlog:gc*`（JDK 9+）。

• 元空间：`-XX:MaxMetaspaceSize`。
  - **监控工具**：

• **JVisualVM**：可视化监控线程、堆、GC。

• **JConsole**：实时查看内存、线程、类加载。

• **jstack**：查看线程堆栈（定位死锁）。

• **jmap**：生成堆转储（`jmap -dump` 分析内存泄漏）。

十一. 常见实现

• **HotSpot**（Oracle/OpenJDK 默认）：支持 JIT 和多种 GC。

• **OpenJ9**（IBM）：低内存占用，适合云原生。

• **GraalVM**：多语言支持（Java/Python/JS），原生镜像（AOT 编译）。

十二. 简单示例

// 内存泄漏示例：静态集合持有对象引用
public class MemoryLeak {
    private static final List<Object> list = new ArrayList<>();
    public void addData() {
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 持续占用内存
        }
    }
}

排查步骤：

1. 使用 `jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>` 生成堆转储。

2. 通过 MAT 或 VisualVM 分析泄漏路径（如 `list` 持续增长）。

十三. 总结归纳

JVM 是 Java 生态的基石，理解其内存模型、类加载、GC 机制是优化性能的关键。掌握 JVM 调优和诊断工具，能有效解决内存溢出、高延迟等问题。JVM 通过抽象操作系统差异、自动化内存管理和高效的执行引擎，成为 Java 高性能和跨平台能力的基石。理解其原理和调优技巧，是 Java 开发者进阶的必经之路。