JVM基础总结 - 技术栈

JVM 是运行在计算机上的程序，负责运行 Java 字节码文件。其核心功能包括：

解释与运行：将字节码指令实时解释为机器码。Java 性能不如 C++ 的主要原因在于运行时的实时解释。
内存管理：自动为对象分配内存并回收不再使用的对象（垃圾回收机制），解决了 C/C++ 中手动释放内存易导致内存泄漏或悬空指针的问题。
即时编译 (JIT)：为了优化性能，JVM 会识别"热点代码"（高频调用的方法或循环），将其编译为机器码并保存在内存中（CodeCache），下次直接调用，从而获得接近 C++ 的性能。

Java 的"一次编写，到处运行"依赖于 JVM。不同操作系统（Windows, Linux）有不同版本的 JVM 实现。源代码编译成统一的字节码文件（.class），由特定平台的 JVM 将其翻译成该平台对应的机器码。

字节码文件是以二进制流存储的，主要包含：

通过 i++ 和 ++i 的字节码差异理解执行逻辑：

i++ 原理 ：先将局部变量 i 的值压入操作数栈（iload），然后直接在局部变量表中对 i 加 1（iinc），最后将栈中原来的值赋回给目标变量。因此 i=i++ 结果仍为原值。
++i 原理 ：先在局部变量表中对 i 加 1（iinc），然后再将加 1 后的值压入操作数栈（iload）。

jclasslib：可视化查看字节码文件结构（常量池、接口、属性等）。
javap ：JDK 自带反编译工具，javap -v 可查看详细信息。
Arthas ：阿里开源的线上诊断工具。
- dump：将内存中的字节码保存到本地。
- jad：反编译运行中的类代码，检查源码是否一致。
- retransform：实现类的热替换（热部署），用于线上不停机修复 Bug 。

类的生命周期包括：加载 -> 连接 (验证、准备、解析) -> 初始化 -> 使用 -> 卸载 。

加载 (Loading) ：通过类加载器获取字节码流，在方法区生成 InstanceKlass，在堆中生成 java.lang.Class 对象。
连接 (Linking)：
- 验证：检查文件格式（魔数、版本号）和元信息。
- 准备：为静态变量分配内存并赋默认初值 （如 int 为 0）。注意：final 修饰的基本类型静态变量会在准备阶段直接赋代码中的值。
- 解析：将符号引用替换为直接引用（内存地址）。
初始化 (Initialization) ：执行 <clinit> 方法。该方法由静态代码块和静态变量赋值语句组成。
- 执行顺序：按代码编写顺序执行。父类 <clinit> 优先于子类执行。
- 触发条件：new 对象、访问静态变量（非 final 常量）、Class.forName 等。

加载器层级 ：
- 启动类加载器 (Bootstrap) ：加载 JAVA_HOME/jre/lib 下的核心类（如 String），由 C++ 实现，Java 中获取为 null 。
- 扩展类加载器 (Extension) ：加载 jre/lib/ext 下的类。
- 应用程序类加载器 (Application)：加载 classpath 下的类（项目代码）。
双亲委派机制 ：
- 流程：向上查找缓存是否加载 -> 向上委托加载 -> 顶层无法加载则向下尝试加载。
- 作用：保证核心类库安全（防止自定义 java.lang.String 覆盖核心类），避免类重复加载。
打破双亲委派 ：
- 自定义类加载器 ：重写 loadClass 方法。Tomcat 使用此机制隔离不同 Web 应用的同名类。
- 线程上下文类加载器 ：JDBC 利用 SPI 机制，通过 Thread.currentThread().getContextClassLoader() 加载驱动实现类，打破了"启动类加载器不能依赖应用类加载器"的限制。

程序计数器：记录下一条字节码指令的地址。是唯一不会发生内存溢出的区域。
Java 虚拟机栈 ：
- 栈帧：每个方法调用对应一个栈帧，包含局部变量表 、操作数栈 、帧数据（动态链接、返回地址）。
- 局部变量表 ：存放 this、参数和局部变量。槽位（Slot）可复用。
- 栈溢出 ：递归调用过深会导致 StackOverflowError。可通过 -Xss 调整栈大小（如 -Xss256k）。
本地方法栈 ：存储 native 方法的栈帧。

堆 (Heap) ：
- 存储对象实例。
- 参数设置 ：-Xmx (最大值) 和 -Xms (初始值) 建议设置为相同，避免运行时申请内存的开销和堆收缩 33。
- 查看命令 ：arthas 的 dashboard 或 memory 命令查看 used/total/max 。
方法区 (Method Area) ：
- 存储类元信息、运行时常量池。
- 实现变迁 ：JDK 7 使用永久代 (PermGen) （在堆中）；JDK 8 使用元空间 (Metaspace)（直接内存）。
- 参数：JDK 8 使用 -XX:MaxMetaspaceSize 限制元空间大小，防止耗尽系统内存。
- 字符串常量池 ：JDK 7 以后从方法区移到了堆中。String.intern() 在 JDK 7+ 中，如果池中没有，会直接存储堆中对象的引用，而不是复制对象。
直接内存 ：NIO 使用，不属于 JVM 运行时数据区。通过 ByteBuffer.allocateDirect 分配，读写性能高（零拷贝），但分配回收成本高。需防范内存泄漏。

可达性分析法 ：从 GC Root 出发，不可达的对象视为垃圾。
GC Root 包括：线程栈中引用的对象、静态变量引用的对象、JNI 引用的对象、监视器锁对象。
引用类型 ：
- 强引用：普通引用，宁可 OOM 也不回收。
- 软引用 (Soft)：内存不足时回收，适用于缓存。
- 弱引用 (Weak)：无论内存是否充足，GC 时都会回收。
- 虚引用 (Phantom)：用于接收对象回收通知（如管理直接内存）。

回收器	适用区域	算法	特点
Serial / Serial Old	年轻代/老年代	复制 / 标记-整理	单线程，适合客户端简单场景。
ParNew	年轻代	复制	多线程，常与 CMS 配合。
Parallel Scavenge	年轻代	复制	JDK 8 默认。关注吞吐量，支持自适应调整堆大小。
CMS	老年代	标记-清除	关注低延迟。并发收集，但有碎片和浮动垃圾，JDK 9 后废弃。
G1	整堆	复制 + 标记-整理	JDK 9 默认。将堆划分为 Region，支持可控停顿时间，无内存碎片。