全面理解JVM虚拟机

JVM虚拟机全面解析笔记

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一、为什么要学JVM？

• 面试必备：避免死记硬背八股文
• 技术根基：理解代码底层逻辑，构建可靠系统
• 调优基础：解决线上内存泄漏、OOM崩溃等性能问题

核心观点：学JVM是自主解决问题的一流程序员与CRUD二流程序员的分水岭！

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二、Class文件规范

1. Class文件结构

• 魔数标识：所有Class文件以CAFE BABE开头（Java名称起源）
• 版本号机制：

  minor_version（次版本） + major_version（主版本，如JDK8=52）
  

  JDK8无法执行JDK17编译的Class文件（版本号61）

• 常量池索引：从1开始（索引0表示“不引用常量项”）

2. 字节码指令

• 指令格式：1字节操作码 + 0~N个操作数
• 核心指令类型：

  bipush 10      // 压栈常量10（需操作数）
  astore_1       // 存储到局部变量表（无操作数）
  invokestatic   // 调用静态方法
  

• 方法调用指令：

  指令	用途
  invokevirtual	对象实例方法（多态）
  invokeinterface	接口方法
  invokespecial	构造方法/私有方法/父类方法
  invokestatic	静态方法
  invokedynamic	动态解析（Lambda底层）

3. 关键案例解析

Integer缓存机制：

Integer i1 = 10;  // → bipush 10 + invokestatic Integer.valueOf
Integer i2 = 10;
System.out.println(i1 == i2); // true（-128~127缓存复用）

字节码验证：valueOf调用导致缓存对象复用

4. try-catch-finally流程

• 异常表控制跳转：

  Start PC | End PC | Handler PC | CatchType
  

  • try块异常 → catch或finally
  • catch块异常 → finally

5. 字节码执行原理

• 操作数栈：存储计算中间结果（LIFO结构）
• 局部变量表：存储方法参数和局部变量（数组结构）
• i++ vs ++i：

  int k = 1;
  k = k++; 
  // 字节码：iload → iinc → istore（结果k=1）
  

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三、类加载机制

1. JDK8类加载体系

• 双亲委派核心代码：

  protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) {// 1. 检查缓存// 2. 父加载器优先加载// 3. 父类失败时自身加载
  }
  

  打破场景：Tomcat多应用隔离加载

2. 沙箱保护机制

• 禁止覆盖核心类：

  if (name.startsWith("java.")) {throw new SecurityException();
  }
  

3. 类与对象关系

• 元空间（Metaspace）：存储类元信息（JDK8取代PermGen）
• 对象头结构（JOL工具查看）：

  Mark Word（锁状态/GC年龄） + Class Pointer（指向元空间类）
  

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四、执行引擎

1. 执行模式

模式	特点	启用参数
解释执行	逐条翻译执行（启动快）	-Xint
编译执行	编译为本地代码（执行快）	-Xcomp
混合模式	默认策略（平衡性能）	（JDK8默认）

2. JIT分层编译

• C1编译器：轻量优化（启动快）
• C2编译器：激进优化（峰值性能高）
• Graal编译器：JDK10+替代C2（Java编写）

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五、GC垃圾回收

1. 分代收集模型

• 年轻代（Eden+Survivor）：
  • 比例：Eden:S0:S1 = 8:1:1
  • 回收算法：标记-复制（Minor GC）
• 老年代：
  • 回收算法：标记-整理（Full GC）

2. 垃圾回收器演进

分代类型	回收器	特点
分代	Serial/Parallel Scavenge	JDK8默认（Parallel+Old）
	CMS/G1	低停顿
不分代	ZGC/Shenandoah	TB级堆内存<10ms停顿

JDK8默认：-XX:+UseParallelGC（PS + PO）

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六、GC调优实战

1. 关键JVM参数

-XX:+PrintGCDetails           # 打印GC详情
-XX:+PrintGCTimeStamps        # 增加时间戳
-Xloggc:./gc.log              # 输出日志文件

2. 日志分析工具

• Arthas：实时监控JVM状态（阿里开源）
• GCeasy：在线分析GC日志（https://www.gceasy.io）

典型问题定位：

• YoungGC频繁 → 增大年轻代
• FullGC耗时久 → 检查老年代对象泄漏

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总结思考

“JVM不是黑盒，是打开Java生态的钥匙” —— 掌握字节码、类加载、GC原理，方能从CRUD进阶系统级调优专家！