深入解析JVM核心原理与运行机制

[一、JVM 基础认知](#一、JVM 基础认知)

[1.1 JVM 核心概念](#1.1 JVM 核心概念)

[1.2 JDK、JRE、JVM 三者区别](#1.2 JDK、JRE、JVM 三者区别)

[1.3 JVM 运行流程](#1.3 JVM 运行流程)

[二、JVM 内存运行模型](#二、JVM 内存运行模型)

[2.1 程序计数器（线程私有）](#2.1 程序计数器（线程私有）)

[2.2 Java 虚拟机栈（线程私有）](#2.2 Java 虚拟机栈（线程私有）)

[2.3 本地方法栈（线程私有）](#2.3 本地方法栈（线程私有）)

[2.4 堆（线程共享）](#2.4 堆（线程共享）)

[2.5 元数据区（方法区，线程共享）](#2.5 元数据区（方法区，线程共享）)

[2.6 常见内容溢出问题](#2.6 常见内容溢出问题)

[三、JVM 类加载机制](#三、JVM 类加载机制)

[3.1 类加载过程](#3.1 类加载过程)

[3.2 类加载器与双亲委派模型](#3.2 类加载器与双亲委派模型)

一、JVM 基础认知

1.1 JVM 核心概念

**JVM（Java虚拟机）：**运行 Java 字节码的虚拟计算机，是实现 Java 一次编写，到处运行的核心。它屏蔽了底层操作系统、硬件差异，Java程序并非直接运行在系统上，而是依托 JVM 执行。

虚拟机分为两大类：系统虚拟机、程序虚拟机

**系统虚拟机（如 VMware）：**完整模拟一套硬件电脑，可独立安装操作系统

**程序虚拟机（如 JVM）：**只执行特定语言的字节码，不模拟完整硬件，用于跨语言、跨平台使用

1.2 JDK、JRE、JVM 三者区别

**JDK：**Java开发工具包 = JRE+编译、调试等开发工具，用于开发+运行

**JRE：**Java运行时环境 = JVM+核心类库，仅能运行Java程序

**JVM：**虚拟机，只负责运行字节码，是最底层运行容器

它们三者关系如下图所示：

1.3 JVM 运行流程

程序在执行前先要把 .java 源代码编译成字节码（.class字节码文件），JVM 首先需要把字节码通过一定的方式类加载器（ClassLoader）把文件加载到运行时数据区（内存），

由于字节码文件是JVM的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统执行，因此需要特定的命令解析器（执行引擎） 将字节码翻译成底层系统指令再交给CPU执行，这个过程需调用其他语言的接口**（本地库接口）** 来实现整个程序的功能，最后垃圾回收（GC），程序运行结束，资源释放。

二、JVM 内存运行模型

2.1 程序计数器（线程私有）

**程序计数器是用来记录当前线程执行到的字节码行号。**如果当前线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行一个Native方法，这个计数器为空。

程序计数器内存区域是唯一一个在Java规范中无OOM的内存区域

2.2 Java 虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈的生命周期与线程相同，描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息

Java虚拟机栈中包含：

按照后进先出的出栈规律

**局部变量表：**存放方法中的局部变量和方法参数，局部变量表的内存空间在编译期间就完成分配，在执行期间不会改变局部变量表的大小

**操作数栈：**方法执行的 " 临时计算器 "，先进后出

**动态链接：**把符号引用变成真正的内存地址，帮助找到方法到底在内存的哪个位置

**方法返回地址：**方法执行完之后回到哪里继续执行

2.3 本地方法栈（线程私有）

本地方法栈是给C++代码使用的（也就是我们所说的本地方法native）

线程私有：

每个线程独占一份，线程之间互不干扰、数据隔离

线程创建→自动开辟对应内存；线程销毁→内存立即释放

2.4 堆（线程共享）

程序中创建的所有对象都保存在堆中（new），最大内存区域

垃圾回收主要区域，分新生代、老年代，最常发生OOM（内存溢出）

2.5 元数据区（方法区，线程共享）

用来存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码

2.6 常见内容溢出问题

**OOM（OutOfMemoryError）:**统称：内存溢出，指 JVM 没有内存可以分配

栈溢出（StackOverflowError）: 线程私有区域溢出，栈帧太多，方法调用太深（例如无限递归）

**堆溢出（Heap OOM）：**OOM的一种最常见形式，new的对象太多了

三、JVM 类加载机制

下面是类加载的生命周期：

3.1 类加载过程

**加载：**将 .class 文件找到，打开文件并且读取文件的数据到内存中，根据代码中写的 " 全限定类名 "（import...），找到对应的class文件

**验证：**检查字节码是否合法、安全

**准备：**给创建的类对象分配内存，赋默认值

**解析：**将常量池的符号引用替换为直接引用，也就是初始化常量

**初始化：**针对类对象进行初始化，初始化类的静态成员，执行静态代码块，对父类的加载

类加载的时机：

在new这个类的实例的时候

在调用这个类的静态方法或访问类的静态成员

在对其子类进行加载时，也会触发父类的加载

类加载只加载一次（单例）

3.2 类加载器与双亲委派模型

双亲委派模型出现在类加载的第一步 （加载），因此就有了类加载器的出现
概念：

双亲委派模型是指如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会去加载这个类，而是交给父类加载器去完成，每个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求都会到达最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器无法完成这个请求时，子类加载器才会尝试去加载完成，如果都未加载成功会抛出 ClassNotFoundException异常

JVM中默认包含3个类加载器：

**BootstrapClassLoader ：**负责加载标准库中的类

**ExtensionClassLoader：**负责加载Java扩展库中的类（JDK厂商进行的扩展）

**ApplicationClassLoader：**负责加载第三方库，以及当前项目中的类

核心作用：

安全防护：防止核心类被篡改，会优先加载原生类

避免重复加载：同一个类只会被加载一次

统一类加载规则：保证全环境中基础类版本一致