Java学习第六十部分——JVM
目录
一. 关键概述
二. 核心功能
三. 组成架构
1. 类加载子系统 (ClassLoader)
2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas)
3. 执行引擎 (Execution Engine)
四. 类加载机制
五. 垃圾回收 (GC)
六. JIT 编译器 (Just-In-Time)
七. 调优参数示例
八. 常见问题与工具
九. 与 JDK/JRE 的关系
十. 调优与监控
十一. 常见实现
十二. 简单示例
十三. 总结归纳
一. 关键概述
Java 虚拟机（JVM，Java Virtual Machine）是 Java 平台的核心组成部分，负责将编译后的字节码（`.class` 文件）解释或编译为机器码，并在不同操作系统上实现“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere）的跨平台特性。
二. 核心功能
-
跨平台执行：将字节码翻译成不同操作系统的本地机器指令。
-
内存管理：自动分配/回收内存（堆、栈等），避免手动管理错误。
-
垃圾回收 (GC)：自动回收无用的对象内存。
-
字节码执行：通过解释器或 JIT 编译器执行字节码。
三. 组成架构
1. 类加载子系统 (ClassLoader)
| 组件 | 功能描述 | 关键特性 |
|---|---|---|
| Bootstrap ClassLoader | 加载 JAVA_HOME/lib 的核心类库（如 rt.jar） | 由 C++ 实现，JVM 自身的一部分 |
| Extension ClassLoader | 加载 JAVA_HOME/lib/ext 目录的扩展类库 | 继承自 URLClassLoader，父加载器为 Bootstrap |
| Application ClassLoader | 加载用户类路径（classpath）的类 | 默认线程上下文类加载器，父加载器为 Extension |
| 双亲委派模型 | 加载类时优先委派父类加载器处理 | 避免核心类被篡改（如自定义 java.lang.String），确保安全性和类唯一性 |
2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas)
| 内存区域 | 存储内容 | 特性 |
|---|---|---|
| 方法区 (Method Area) | 类元数据（类名、字段、方法）、常量池、静态变量 | JDK 8+ 由元空间 (Metaspace) 实现，使用本地内存，替代永久代（PermGen） |
| 堆 (Heap) | 对象实例和数组 | 垃圾回收主区域，分为： - 新生代（Eden + Survivor From/To） - 老年代 |
| 虚拟机栈 (JVM Stack) | 每个线程私有，存储栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口） | 方法调用压栈，返回弹栈；可能抛出 StackOverflowError |
| 本地方法栈 | 服务于 Native 方法（如 JNI 调用的 C/C++ 代码） | 与虚拟机栈类似，但针对本地方法 |
| 程序计数器 (PC Register) | 记录当前线程执行的字节码指令地址 | 唯一不会发生 OOM 的区域，线程私有 |
3. 执行引擎 (Execution Engine)
| 组件 | 功能描述 | 关键实现 |
|---|---|---|
| 解释器 (Interpreter) | 逐行解释字节码为机器码执行 | 启动速度快，但运行时效率低 |
| JIT 编译器 | 将热点代码（高频方法/循环）编译为本地机器码 | HotSpot 使用分层编译： - C1 编译器（客户端，快速优化） - C2 编译器（服务端，深度优化） |
| 垃圾回收器 (GC) | 自动回收无引用对象的内存 | 主流算法与收集器： - 新生代：复制算法（Parallel Scavenge） - 老年代：标记-清除/整理（CMS） - G1 GC（JDK9+ 默认）：区域化分代 + 可预测停顿 - ZGC（JDK11+）：低延迟（<10ms）、TB 级 |
核心关系总结
-
类加载 → 运行时数据区：
ClassLoader 加载的类元数据存储于方法区，对象实例分配在堆中。
-
执行引擎 → 运行时数据区：
解释器/JIT 执行栈中方法的字节码；GC 管理堆内存的回收。
-
线程私有区域：
每个线程独立拥有：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。
四. 类加载机制
类加载分三个阶段：
1. **加载 (Loading)**
- 通过类加载器（`ClassLoader`）加载 `.class` 文件到内存。
- 类加载器层级：
- **Bootstrap ClassLoader**（加载核心库如 `rt.jar`）
- **Extension ClassLoader**（加载扩展库）
- **Application ClassLoader**（加载用户类路径）
- **自定义 ClassLoader**（用户扩展）。
2. **链接 (Linking)**
- 验证字节码合法性 → 准备（为静态变量分配内存）→ 解析（符号引用转直接引用）。
3. **初始化 (Initialization)**
- 执行静态代码块和静态变量赋值（如 `static int x = 10;`）。
五. 垃圾回收 (GC)
- **回收对象**：无引用指向的对象（如超出作用域的局部变量）。
- **GC 算法**：
- **分代收集**：堆分为 **新生代 (Young)** 和 **老年代 (Old)**。
- 新生代：使用 **复制算法**（Eden + Survivor 区）。
- 老年代：使用 **标记-清除** 或 **标记-整理** 算法。
- **垃圾收集器**：
- **Serial GC**：单线程，适合小应用。
- **Parallel GC**（默认）：多线程，吞吐量优先。
- **CMS** / **G1 GC**：低延迟，减少 STW（Stop-The-World）时间。
- **ZGC** / **Shenandoah**（JDK 15+）：超低延迟（<10ms）。
六. JIT 编译器 (Just-In-Time)
- **热点代码优化**：频繁执行的字节码会被编译成本地机器码（如循环、高频方法）。
- **解释器 vs JIT**：解释器逐行执行字节码（启动快）；JIT 编译后执行（运行快）。
七. 调优参数示例
# 堆内存设置
-Xms512m # 初始堆大小（默认物理内存 1/64）
-Xmx1024m # 最大堆大小（默认物理内存 1/4）
-XX:NewRatio=2 # 老年代:新生代 = 2:1
-XX:SurvivorRatio=8 # Eden:Survivor = 8:1
# 垃圾回收器选择
-XX:+UseG1GC # 启用 G1 收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC # 启用 CMS 收集器
# 元空间设置（JDK 8+）
-XX:MetaspaceSize=128m
-XX:MaxMetaspaceSize=256m
八. 常见问题与工具
- **内存泄漏**：对象被意外保留引用（如静态集合类持续增长）。
- **OOM (OutOfMemoryError)**：堆/元空间不足。
- **诊断工具**：
- **jconsole** / **VisualVM**：图形化监控堆、线程、类加载。
- **jstack**：分析线程堆栈（死锁检测）。
- **jmap**：导出堆内存快照（配合 **MAT** 工具分析内存泄漏）。
- **jstat**：监控 GC 状态（`jstat -gcutil <pid> 1000`）。
九. 与 JDK/JRE 的关系
- **JDK (Java Development Kit)**：开发工具包（含 JRE + 编译器 `javac`）。
- **JRE (Java Runtime Environment)**：运行环境（含 JVM + 基础库）。
- **JVM**：执行引擎，是 JRE 的子集。
十. 调优与监控
- **常用参数**：
- 堆大小：`-Xms`（初始堆）、`-Xmx`（最大堆）。
- 新生代比例：`-XX:NewRatio`。
- GC 日志：`-Xlog:gc*`（JDK 9+）。
- 元空间：`-XX:MaxMetaspaceSize`。
- **监控工具**：
- **JVisualVM**：可视化监控线程、堆、GC。
- **JConsole**：实时查看内存、线程、类加载。
- **jstack**：查看线程堆栈（定位死锁）。
- **jmap**：生成堆转储（`jmap -dump` 分析内存泄漏）。
十一. 常见实现
- **HotSpot**（Oracle/OpenJDK 默认）：支持 JIT 和多种 GC。
- **OpenJ9**（IBM）：低内存占用，适合云原生。
- **GraalVM**：多语言支持（Java/Python/JS），原生镜像（AOT 编译）。
十二. 简单示例
// 内存泄漏示例：静态集合持有对象引用
public class MemoryLeak {private static final List<Object> list = new ArrayList<>();public void addData() {while (true) {list.add(new byte[1024 * 1024]); // 持续占用内存}}
}排查步骤：
1. 使用 `jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>` 生成堆转储。
2. 通过 MAT 或 VisualVM 分析泄漏路径（如 `list` 持续增长）。
十三. 总结归纳
JVM 是 Java 生态的基石，理解其内存模型、类加载、GC 机制是优化性能的关键。掌握 JVM 调优和诊断工具，能有效解决内存溢出、高延迟等问题。JVM 通过抽象操作系统差异、自动化内存管理和高效的执行引擎，成为 Java 高性能和跨平台能力的基石。理解其原理和调优技巧，是 Java 开发者进阶的必经之路。