JVM 深度理解 —— 程序的底层运行逻辑

[一：JVM 内存全景图 (Runtime Data Areas)](#一：JVM 内存全景图 (Runtime Data Areas))

[1.1 线程私有区（生命周期与线程同步）](#1.1 线程私有区（生命周期与线程同步）)

[1.2 线程共享区（内存分配主体）](#1.2 线程共享区（内存分配主体）)

二：类加载系统 (Class Loader Subsystem)

[2.1 加载的五个阶段](#2.1 加载的五个阶段)

[2.2 双亲委派模型](#2.2 双亲委派模型)

三：垃圾回收深度解析 (Garbage Collection)

[3.1 对象存活判定](#3.1 对象存活判定)

[3.2 垃圾回收算法](#3.2 垃圾回收算法)

[3.3 经典垃圾收集器](#3.3 经典垃圾收集器)

[四：JVM 参数与性能调优](#四：JVM 参数与性能调优)

[4.1 常用诊断命令](#4.1 常用诊断命令)

[4.2 示例代码：通过代码感受 JVM 限制](#4.2 示例代码：通过代码感受 JVM 限制)

[五：执行引擎与 JIT 编译](#五：执行引擎与 JIT 编译)

一：JVM 内存全景图 (Runtime Data Areas)

JVM 内存不只是"堆和栈"，它是一个精密设计的协作系统。

1.1 线程私有区（生命周期与线程同步）

程序计数器 (PC Register)：
- 原理：当前线程执行的字节码行号指示器。
- 特点：占用内存极小，是 JVM 规范中唯一没有规定 OutOfMemoryError 的区域。
虚拟机栈 (JVM Stack)：
- 组成：由一个个栈帧 (Stack Frame) 组成。每个方法从调用到执行完成，对应一个栈帧在栈中入栈到出栈的过程。
- 栈帧内容：局部变量表（存基本类型和引用指针）、操作数栈（计算中间结果）、动态链接、方法出口。
- 异常：StackOverflowError（递归太深）或 OutOfMemoryError（线程太多）。
本地方法栈 (Native Method Stack)：
- 为虚拟机使用到的 Native 方法（如 C/C++ 编写的底层库）服务。

1.2 线程共享区（内存分配主体）

堆 (Heap)：
- 分代结构 ：分为新生代 (Young Gen) 和 老年代 (Old Gen)。
- 新生代细分：Eden 区、Survivor 0 区、Survivor 1 区（比例通常为 8:1:1）。
- 功能：几乎所有的对象和数组都在此分配空间。
元空间 (Metaspace)：
- 位置：Java 8 之后，从 JVM 内部移到了本地内存。
- 内容：类信息、常量池、静态变量、JIT 编译后的代码。

二：类加载系统 (Class Loader Subsystem)

类加载负责将 .class 文件转换成内存中的 Class 对象。

2.1 加载的五个阶段

加载：读取二进制流。
验证：格式、元数据、字节码、符号引用验证。
准备：为 static 变量分配内存并初始化为零值（注意：此时不执行逻辑，static int a = 123 此时 a 是 0）。
解析：将常量池内的符号引用替换为直接引用。
初始化 ：执行 <clinit>() 方法（合并所有静态代码块和静态变量赋值语句）。

2.2 双亲委派模型

自底向上检查：先看自己加载过没，没加载过问父类，一直问到启动类加载器。
自顶向下加载：父类无法加载时，子类才尝试加载。

核心逻辑示例：

java 复制代码

// 伪代码演示加载逻辑
protected Class<?> loadClass(String name) {
    // 1. 先查缓存
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        // 2. 委派给父类
        if (parent != null) c = parent.loadClass(name);
        else c = findBootstrapClassOrNull(name);
    }
    // 3. 实在不行再自己动手
    if (c == null) c = findClass(name);
    return c;
}

三：垃圾回收深度解析 (Garbage Collection)

3.1 对象存活判定

引用计数法：容易导致循环引用（Java 不采用）。
可达性分析 ：从 GC Roots（如栈中引用、静态变量、常量池等）出发，无法到达的对象即为垃圾。

3.2 垃圾回收算法

标记-复制：新生代使用。内存利用率 90%，不会有内存碎片。
标记-清除：老年代使用。会产生碎片。
标记-整理：老年代使用。移动存活对象，解决碎片问题，但效率稍低。

3.3 经典垃圾收集器

CMS (Concurrent Mark Sweep)：追求最短停顿，老年代收集器，并发执行。
G1 (Garbage First)：将内存切成一个个 Region。不仅回收老年代，也回收新生代，是目前 JDK 8+ 的主流选择。
ZGC：Java 11+ 引入，停顿时间不随堆大小增加，始终控制在 10ms 以内。

四：JVM 参数与性能调优

4.1 常用诊断命令

jps：查看 Java 进程。
jstat -gc <pid> 1000：每秒查看一次 GC 统计。
jstack <pid>：查看线程快照（解决死锁、CPU 飙升）。
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>：导出堆快照。

4.2 示例代码：通过代码感受 JVM 限制

场景：模拟频繁 Full GC 导致的程序卡顿

java 复制代码

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/**
 * 设置 JVM 参数: -Xms100m -Xmx100m -XX:+PrintGCDetails
 */
public class FullGCDemo {
    private static List<Object> cache = new LinkedList<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序启动，开始向堆内存注入数据...");
        
        while (true) {
            // 模拟业务逻辑不断产生无法回收的对象（内存泄漏）
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                cache.add(new byte[1024]); // 每次加 1KB
            }
            
            // 适当移除一些，但总体增长，导致老年代不断填满触发 Full GC
            if (cache.size() > 50000) {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    cache.remove(0);
                }
            }
            
            Thread.sleep(10); // 减慢速度，便于观察控制台 GC 日志
        }
    }
}

五：执行引擎与 JIT 编译

JVM 并不是单纯的解释执行：

解释器：程序启动时立即执行，省去编译时间。
JIT 编译器 (Just-In-Time)：将经常执行的"热点代码"编译成机器码，提升性能。
热点检测：通过计数器（方法调用计数器、回边计数器）识别热点代码。