06.JVM学习 - 技术栈

学习JVM

1. JVM概念

介于操作系统和Java应用程序之间。成为java的"翻译官，把字节码翻译成各种操作系统能识别的机器码，实现"一次编写，到处运行"。

【.java 源码】--(javac编译)-->【.class字节码】--(JVM解释)-->【机器码】

2. JVM的体系结构

整体流程：加载-->存储-->执行。

【加载.class文件到内存】--->【类加载子系统】--->【运行时数据区】--->【执行引擎】--->【本地方法入口】

类加载子系统，负责加载.class文件
运行时数据区，属于JVM的内存，PC寄存器，栈，堆，都属于这里。
执行引擎，包括解释器，JIT编译器，GC，是真正的执行代码核心。

3. 类加载器

作用：把磁盘上的.class文件加载到JVM的方法区，并在堆中创建对应的Class对象

类加载器	实现语言	加载范围
启动类加载器（Bootstrap）	C/C++	JDK 核心类（rt.jar 中的 java.lang/String 等）
扩展类加载器（Extension）	Java	JRE/lib/ext 目录下的扩展类
应用程序类加载器（App）	Java	自定义类（classpath 下的代码）
自定义类加载器	Java	自定义类（classpath 下的代码）

4. 双亲委派机制

类加载器的核心规则，先委托父类加载器加载，加载不到的类才到自己加载

流程(以加载自定义类com.test.MyClass为例)
App类加载器-->委托Extension-->委托Bootstrap-->Bootstrap找不到(只加载核心类)-->Extension不到-->App自己加载。
核心作用

安全，防止自定义java.lang.String替换JDK核心类。
唯一，同一个类只会被加载一次，避免重复加载。

5. 沙箱安全机制

JVM的安全围栏，限制java程序的运行范围，防止恶意代码破坏系统核心。引用了一个Domain(域)的概念，JVM会将不同的代码加载到不同的域当中。

字节码校验器：检查字节码是否合规（比如禁止修改内存地址)。
类加载器+双亲委派：只加载可信类。
安全管理器（SecurityManager)：控制程序权限（如禁止读写文件，执行系统命令等）
存取控制器(access controller) :控制核心API对操作系统的存取权限。
安全软件包(security package): java.security之下的包和类，允许用户为自己的应用增加安全特性。包括：
安全提供者；消息摘要；数字签名；加密；鉴别。

6. Native方法实现本地库底层调用

声明：native方法-->javah生成C头文件-->C/C++实现-->编译成动态库-->Java通过System.loadLibrary()加载。

注意：凡是代有native关键字的方法，说明java的作用范围达不到了，会去调用底层C语言库，即进入本地方法栈。JNI融合不同语言。

eg. private native void start0(); //本地方法常用于硬件驱动，网络系统中很少使用了。

7. PC寄存器（程序技术器)

作用：存储当前线程正在执行的JVM指令地址（如果是执行native方法，值为undefined);
特点：不会OOM（内存溢出），因为大小固定。
类比：像书签，随时可以在线程切换时从书签位置继续执行。

8. 方法区

所有线程共享的内存区，存储类的"元数据"（类名，方法，字段，常量池），静态变量，JIT编译后代码

版本变化：

JDK1.7及之前：叫永久代，属于堆的一部分，大小有限。
JDK1.8及之后：移除永久代，改用元空间(Metaspece)，直接使用操作系统内存，只受OS内存限制，大幅减少内存溢出概率。
JVM内部过程:
(方法区包含：static 数据和类，final，Class，常量池)
运行时数据区(Runtime Data Area)---> 方法区Method Area<--->执行引擎-垃圾重灾区--解释器interpreter --JIT编辑器--垃圾回收器
--->java栈 Stack
--->本地方法栈Native Method Stack<--->本地方法接口JNI(Java Native Interface)<---本地方法库。(不存在垃圾回收）
--->堆 Heap（垃圾重灾区)
--->程序计数器 Program Counter 不存在垃圾回收）

9. 栈(虚拟机栈)

线程私有：每个线程创建时分配一个栈，由多个栈帧组成。

栈帧：每个方法调用时创建一个栈帧，存储局部变量，方法返回地址，方法执行完栈帧出栈。

栈的大小可以通过 -Xss设置，如-Xss1m.
递归过深，会触发栈溢出(StackOverflowError)。
无需GC, 栈帧的创建销毁都是自动的。

栈就像"弹夹"，方法调用时进行"压弹"，方法结束完，子弹弹出。容量有限，压太多会溢出。

10. 三种主流JVM

JVM实现	开发商	特点	应用场景
HotSpot	Oracle	混合解释+JIT编译,性能优主流	绝大多数Java应用
JRockit	BEA	无解释器，全JIT编译，适合高并发	已被Oracle整合
IBM J9	IBM	轻量，跨平台，内存占用少	IBM WebSphere等

命令行执行：java -version,就会显示对应JVM，例如：Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM.

11. 堆

是JVM中最大的内存区域，所有线程共享，用于存储所有new出来的对象，也是GC（垃圾回收)核心区。一个JVM只有一个堆内存。

核心参数：
- -Xms: 堆的初始大小，建议和-Xmx一致，避免JVM动态调整；
- -Xmx: 堆最大大小，如-Xms4g -Xmx4g,堆固定4G;
特点：会触发OOM,因为对象太多，堆内存不足。(OutOfMemery)
比喻：就是JVM的大仓库，所有线程元素都往里放，满了就报错，GC是仓库清理工，清理没用的对象数据。

12. 新生区（新生代)

堆的一部分，专门存储刚创建的对象，分为 3 个区域（默认比例 8:1:1）：

Eden 区（伊甸园）：新对象优先分配到这里；
Survivor 0（S0）、Survivor 1（S1）：Eden 满了触发 Minor GC（轻量 GC），存活对象移到 - - S0/S1，来回移动达到年龄阈值（默认 15）后，移到老年代。

13. 永久区(永久代)

⚠️ 仅 JDK 1.7 及之前存在，是方法区的实现，存储类元数据、静态变量、常量池。

问题：大小有限（-XX:PermSize/-XX:MaxPermSize），加载大量类时易 OOM；
JDK 1.8 替代方案：元空间（Metaspace），使用操作系统内存，默认无上限，大幅减少 OOM。

14. 堆内存调优

核心目标：减少GC频率/耗时，提升程序性能，核心步骤+参数；

监控 GC：用jstat -gc 进程ID、jvisualvm、Arthas 查看 GC 次数 / 耗时；
调整核心参数（JDK 1.8）：

-Xms4g -Xmx4g：堆初始 / 最大大小设为 4G（固定大小避免动态调整）；
-Xmn2g：新生代设为 2G（占堆的 1/2，适合大多数场景）；
-XX:SurvivorRatio=8：Eden:S0:S1=8:1:1；
-XX:+UseG1GC：使用 G1 收集器（适合大堆、低延迟）；

分析 OOM：添加-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，导出堆快照用 MAT 工具分析内存泄漏。

15. GC(垃圾回收)

JVM 自动回收堆中 "无用对象" 的机制，无需程序员手动管理内存（对比 C++ 的new/delete）。

垃圾判定：主流用可达性分析（以 GC Roots 为起点，无引用链的对象是垃圾）；
GC 类型：
- Minor GC：新生代 GC，频率高、耗时短；
- Major GC：老年代 GC，频率低、耗时长（通常伴随 Minor GC）；
- Full GC：整堆 GC（新生代 + 老年代 + 元空间），耗时最长，应尽量避免；
核心收集器：Serial（串行）、Parallel（并行，JDK8 默认）、G1（JDK9 默认）。

16. JMM(Java内存模型)

⚠️ 不是 JVM 的内存区域（堆 / 栈），而是一套规范，解决多线程的可见性、原子性、有序性问题。

核心抽象：
- 主内存：所有线程共享，存储共享变量（对应堆）；
- 工作内存：线程私有，存储共享变量副本（对应栈）；
核心保障：
- 可见性：volatile关键字保证一个线程修改的变量，其他线程立刻可见；
- 原子性：synchronized/Atomic 类保证操作要么全执行，要么全不执行；
- 有序性：volatile/synchronized禁止指令重排，保证代码执行顺序和编写顺序一致。