JVM核心原理总结

一、栈上的数据存储

1.1 基本数据类型在栈上的实现

Java的8大基本数据类型在虚拟机中的实现方式与内存占用：

数据类型	堆内存占用(字节)	栈中slot数	虚拟机内部符号
byte	1	1	B
short	2	1	S
int	4	1	I
long	8	2	J
float	4	1	F
double	8	2	D
char	2	1	C
boolean	1	1	Z

• 空间换时间：Java虚拟机采用空间换时间方案，在栈上不存储具体类型，只根据slot槽处理数据
• 64位特殊处理：long和double类型在64位系统中占用2个slot，共16字节，但高8字节未使用，实际满足8字节需求

1.2 boolean类型的内部实现

• 在栈上boolean类型与int类型相同处理，值1代表true，0代表false
• 可通过ASM框架修改字节码指令，验证boolean在栈上实际可存储超过1的值
• 从栈保存到堆上时，boolean类型只取低位的最后一位保存
• 在堆上，boolean类型只占用1个字节，无符号，低位复制，高位补0

1.3 栈与堆数据转换规则

• 堆→栈 ：由于栈上空间大于或等于堆上空间，直接处理，注意符号位
  • boolean、char为无符号：低位复制，高位补0
  • byte、short为有符号：低位复制，非负补0，负则补1
• 栈→堆 ：高位需要截断
  • boolean特殊：只取低位的最后一位

二、对象在堆上的内存布局

2.1 对象内存结构

对象在堆中主要包含三部分：

1. 对象头：包含Mark Word和Klass Pointer

2. 实例数据：对象的实际字段

3. 对齐填充：保证对象大小为8字节的倍数

   普通对象结构:
   ┌──────────────┐
   │ Mark Word │ 32位4字节, 64位8字节，保存锁、GC等信息
   ├──────────────┤
   │Klass Pointer │ 指向方法区中InstanceKlass对象的指针
   ├──────────────┤
   │ 实例数据 │ 字段重排序，保证内存对齐
   ├──────────────┤
   │ 对齐填充 │ 保证对象大小为8字节的倍数
   └──────────────┘

   数组对象额外包含:
   ┌──────────────┐
   │ 数组长度 │ 4字节(int)
   └──────────────┘

2.2 Mark Word(标记字段)

Mark Word在不同状态下存储不同内容，64位开启指针压缩布局：

未锁定状态：

• 2.5位未使用
• 31位Hashcode
• 1位未使用
• 4位分代年龄
• 1位偏向锁标记
• 2位锁状态(01)

偏向锁状态：

• 54位线程ID
• 2位epoch
• 1位偏向锁标记
• 4位分代年龄
• 2位锁状态(01)

轻量级锁：

• 62位指向栈中锁记录的指针
• 2位锁状态(00)

重量级锁：

• 62位指向Monitor对象的指针
• 2位锁状态(10)

GC标记：

• 62位空
• 2位锁状态(11)

2.3 指针压缩

• 64位JVM中，堆中原本8字节的指针可压缩为4字节
• 默认开启，可通过-XX:-UseCompressedOops关闭
• 适用条件：堆大小不超过32GB（2^35字节）
• 内存对齐：将对象起始地址对齐到8字节边界，便于指针压缩

2.4 内存对齐

• 每个对象字节数必须是8的倍数
• 字段偏移量(offset)需是字段长度的整数倍
• 通过字段重排序和对齐填充实现
• 目的：避免伪共享，提高CPU缓存效率

三、方法调用原理

3.1 五种字节码指令

JVM提供5种字节码指令执行方法调用：

1. invokestatic：调用静态方法

   • 静态绑定
   • 编译期确定方法地址

2. invokespecial：调用私有方法、构造方法，以及super关键字调用父类方法

   • 静态绑定
   • final修饰的invokevirtual也使用此方式

3. invokevirtual：调用非私有实例方法

   • 非final方法使用动态绑定
   • 通过虚方法表(vtable)查找方法地址

4. invokeinterface：调用接口方法

   • 动态绑定
   • 通过接口方法表(itable)查找方法地址

5. invokedynamic：调用动态方法

   • 主要用于lambda表达式
   • 机制复杂，JVM 7引入

3.2 静态绑定 vs 动态绑定

• 静态绑定：

  • 编译期间确定方法地址
  • 适用于static、private、final方法
  • 方法第一次调用时，符号引用替换为直接内存地址

• 动态绑定：

  • 运行时确定方法地址
  • 适用于非static、非private、非final的实例方法
  • 通过虚方法表实现多态

3.3 虚方法表(vtable)

• 每个类包含一个虚方法表，记录方法地址
• 子类方法表包含父类所有方法
• 重写方法时，用子类方法地址替换父类方法地址
• 查找步骤：
  1. 根据对象头中的类型指针找到InstanceKlass
  2. 从InstanceKlass获取虚方法表
  3. 通过索引找到方法地址
  4. 调用方法

四、异常捕获原理

4.1 异常表

• 编译期生成，存储异常处理信息
• 包含四个关键字段：
  • 起始PC：异常捕获范围开始位置
  • 结束PC：异常捕获范围结束位置
  • 跳转PC：捕获异常后跳转的指令位置
  • 捕获类型：可捕获的异常类型

4.2 异常处理流程

1. 异常发生时，JVM从上至下遍历异常表
2. 检查异常发生位置是否在捕获范围内
3. 检查异常类型是否匹配
4. 如匹配，跳转到"跳转PC"位置
5. 如不匹配，弹出当前栈帧，在上层栈帧继续查找

4.3 finally的实现

• finally代码块会被复制到try和catch执行路径之后
• 异常表增加额外条目处理Throwable等未捕获异常
• 通过局部变量表保存异常，执行完finally后再抛出

五、JIT即时编译器

5.1 JIT基本原理

• 热点代码：执行频率高的字节码
• 将字节码编译成机器码，直接在CPU执行
• 热点代码优化：方法内联、逃逸分析等

5.2 分层编译

JDK7后，HotSpot采用分层编译，5个优化级别：

等级	组件	描述	保存的信息
0	解释器	解释执行，记录方法/循环次数	无
1	C1编译器	基础优化	优化后代码
2	C1编译器	基础优化+收集信息	优化后代码+方法/循环次数
3	C1编译器	C1完整优化+收集所有额外信息	类型、分支概率等
4	C2编译器	深度优化，服务端代码优化	优化后代码

• C1：编译速度快，优化效果较弱
• C2：编译速度慢，优化效果强
• Graal：新一代JIT编译器，替代C2

5.3 方法内联

• 将方法体直接复制到调用方
• 节省创建栈帧开销
• 内联条件：
  • 方法字节码<325字节且是热点方法(-XX:FreqInlineSize)
  • 方法字节码<35字节直接内联(-XX:MaxInlineSize)
  • 生成机器码<1000字节(-XX:InlineSmallCode)
  • 接口实现类<3个

5.4 逃逸分析

• 分析对象是否被外部方法/线程引用
• 优化技术：
  1. 锁消除：对象不逃逸，消除同步锁
  2. 标量替换：将对象拆分为基本类型，在栈上分配
  3. 栈上分配：不逃逸对象分配在栈上，避免GC

六、垃圾回收器原理

6.1 G1垃圾回收器

6.1.1 年轻代回收

• 只扫描Eden+Survivor区域
• 问题：老年代对象可能引用年轻代对象
• 解决方案：记忆集(RememberedSet) + 卡表(CardTable)

记忆集优化：

1. 记录区域而非对象级别的引用
2. 将内存划分卡页(512字节)，记录卡页引用
3. 通过写屏障维护卡表，标记"脏卡"

执行流程：

1. Root扫描
2. 处理脏卡队列，更新记忆集
3. 标记存活对象
4. 选择回收集合(Collection Set)
5. 复制存活对象
6. 处理引用和JNI弱引用

6.1.2 混合回收

• 触发条件：堆占用率>45%
• 步骤：
  1. 初始标记：STW，三色标记法标记GC Root可达对象
  2. 并发标记：与用户线程并发，继续标记
  3. 最终标记：STW，处理SATB(初始快照)队列
  4. 清理：STW，清除无存活对象的区域
  5. 转移：将存活对象复制到新区域

6.1.3 三色标记与SATB

• 三色标记 ：
  • 黑色：存活，引用关系已处理
  • 灰色：待处理，引用关系部分处理
  • 白色：可回收，不在GC Root链上
• SATB技术 ：
  • 初始创建快照，记录所有对象
  • 采用写前屏障，将旧引用对象加入SATB队列
  • 避免漏标，可能产生浮动垃圾

6.2 ZGC垃圾回收器

6.2.1 低延迟特性

• STW时间始终<1ms
• 支持堆大小：几百MB到16TB
• 对象地址空间：44位，最大16TB

6.2.2 着色指针

将8字节指针拆分为三部分：

• 最低44位：对象地址
• 中间4位：颜色位，同一时间只有一位是1
  • Marked0/Marked1：标记可达对象
  • Remap：重映射位，引用关系已变更
  • Finalizable：只能通过终结器访问
• 高16位：未使用

6.2.3 读屏障

• 读取对象引用时触发
• 检查是否需要重映射
• 将引用指向转移后的对象
• 用户线程协助GC工作

6.2.4 执行流程

1. 初始标记：STW，标记GC Root直接引用对象
2. 并发标记：标记所有可达对象
3. 并发处理：选择转移区域，创建转移表
4. 转移开始：STW，转移GC Root引用对象
5. 并发转移：转移剩余对象
6. 重映射：修正引用关系，用户线程协助

6.2.5 ZPage区域

• 小区域：2MB，保存<256KB对象
• 中区域：32MB，保存256KB-4MB对象
• 大区域：保存>4MB单个对象

6.3 ShenandoahGC

6.3.1 1.0版本

• 每个对象增加8字节前向指针
• 读前屏障：根据前向指针访问转移后对象
• 缺点：内存占用增加5-10%，性能影响大

6.3.2 2.0版本(主流)

• 仅转移阶段将前向指针放入Mark Word
• CAS确保并发安全
• 执行流程与ZGC类似

6.3.3 分代支持

• JDK21+支持分代Shenandoah
• 年轻代和老年代回收可并行执行
• 减少全堆扫描频率，提升性能

七、最佳实践建议

7.1 代码优化

1. 小方法设计：便于JIT内联
2. 控制接口实现类数量：不超过2个，保证内联
3. 避免对象逃逸：高频方法中创建临时对象
4. 自定义热点方法：JDK标准库中复杂方法可能无法内联

7.2 JVM参数调优

1. JIT优化：

   • -XX:MaxInlineSize：控制内联方法大小
   • -XX:FreqInlineSize：控制热点方法内联大小
   • -XX:InlineSmallCode：控制机器码内联大小

2. G1回收器：

   • -XX:MaxGCPauseMillis：期望最大停顿时间
   • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：触发混合GC的堆占用率

3. ZGC：

   • -XX:+UseZGC：启用ZGC
   • -XX:ZAllocationSpikeTolerance：分配峰值容忍度

7.3 GC选择指南

• 低延迟需求：ZGC或Shenandoah
• 大堆应用(>64GB)：ZGC
• 吞吐量优先：G1或Parallel GC
• JDK8环境：G1或CMS(即将废弃)
• 容器化环境：ZGC(对容器友好)

八、总结

JVM是Java语言的核心运行环境，理解其内部原理对性能优化和问题排查至关重要。关键要点包括：

1. 内存管理：

   • 栈上slot管理保证执行效率
   • 堆上对象布局优化空间利用
   • 指针压缩减少64位系统内存开销

2. 执行优化：

   • JIT编译提升热点代码执行效率
   • 方法内联消除调用开销
   • 逃逸分析优化对象分配

3. 垃圾回收演进：

   • 从分代设计(G1)到并发转移(ZGC, Shenandoah)
   • 从Stop-The-World到亚毫秒级停顿
   • 从对象追踪到指针着色等创新技术

4. 持续发展：

   • ZGC支持TB级堆内存
   • 分代ZGC/Shenandoah提升吞吐量
   • Valhalla项目将带来值类型，进一步优化内存和性能