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【JVM】学习笔记

news 来源：原创 2025/7/5 11:27:01

1. JVM概述

JVM是一个抽象的计算机，用于运行Java程序。它将Java字节码转化为特定平台的机器代码，确保Java程序具有跨平台性。

2. JVM架构

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JVM的架构通常包括以下几个主要部分：
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类加载子系统（ClassLoader）：负责加载.class文件。它通过类加载器将字节码加载到JVM内存中。
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
- 系统类加载器（System ClassLoader）
运行时数据区（Runtime Data Areas）：JVM为运行中的Java程序分配的内存区域，包括：
- 方法区（Method Area）：存放类的结构信息（如类名、字段、方法等）。
- 堆（Heap）：存放所有的对象实例和数组。
- Java栈（Java Stack）：每个线程都有一个栈，存放局部变量和方法调用信息。
- 程序计数器（PC Register）：每个线程都有一个程序计数器，用于指示当前线程正在执行的字节码指令地址。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：用于支持JVM执行本地方法（通常是通过JNI调用的C或C++代码）。

3. JVM的垃圾回收机制（GC）

JVM有自动的垃圾回收机制，负责回收不再使用的对象。垃圾回收的过程包括：

堆的分代结构：堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
垃圾回收算法：
- 标记-清除（Mark-and-Sweep）
- 复制算法（Copying）
- 标记-整理（Mark-and-Compact）
- 分代收集（Generational Collection）
GC的触发：GC可以通过内存不足、系统调用等触发。

4. JVM的执行过程

编译过程：Java源代码（.java）先被编译为字节码（.class），然后通过JVM的类加载器加载到内存。
字节码执行：
- 解释执行（Interpreter）：直接逐行解释执行字节码。
- 即时编译（JIT Compiler）：JVM将热点代码编译成机器代码，提高执行效率。

解释执行（Interpretation）

定义：解释执行是指逐行读取源代码，将其翻译成机器语言并执行的过程。每读取一行代码，就立即翻译并执行，而不是提前将整个程序翻译成机器语言。

类比：想象你正在读一本外语书（比如法语书），但你不懂法语。这时，你旁边有一个翻译官，他每翻一页，就读一句法语，然后翻译成你能理解的中文，你再根据中文来理解这句话的意思。这个过程就是解释执行——逐句翻译并执行。

Java示例：

在早期的Java虚拟机（JVM）中，Java代码是逐行解释执行的。JVM读取Java字节码（一种中间代码），然后逐行翻译成机器语言并执行。这种方式的好处是简单直接，但缺点是执行效率相对较低，因为每次执行都需要翻译。

即时编译（Just-In-Time Compilation, JIT）

定义：即时编译是指将源代码或中间代码（如Java字节码）在运行时动态地翻译成机器语言，并存储在内存中以便后续快速执行的过程。与解释执行不同，JIT编译会提前编译部分或全部代码，以提高执行效率。

类比：继续上面的外语书类比。现在，你不再需要逐句翻译了，而是请了一个翻译团队，他们先把整本书翻译成中文，然后装订成册给你。这样，你就可以直接阅读中文版的书了，效率大大提高。这个过程就是即时编译——提前翻译并存储，以便后续快速执行。

Java示例：

现代的JVM采用了JIT编译技术。当JVM运行Java程序时，它会分析代码的执行情况，识别出热点代码（即频繁执行的代码），然后将这些热点代码编译成机器语言并存储在内存中。这样，当这些代码再次被执行时，就可以直接执行机器语言了，大大提高了执行效率。

深入理解

解释执行与JIT编译的区别：
- 解释执行是逐行翻译并执行，适合简单直接但效率较低的场景。
- JIT编译是提前翻译并存储，适合需要高效执行的场景。
JIT编译的优势：
- 提高执行效率：通过提前编译并存储机器语言，减少了翻译的开销。
- 优化性能：JIT编译器可以根据运行时的情况进行优化，如内联函数、循环展开等。
- 动态适应性：JIT编译器可以监控代码的执行情况，并根据需要动态调整编译策略。
JIT编译的挑战：
- 编译开销：虽然JIT编译可以提高执行效率，但编译本身也需要一定的时间和资源开销。
- 编译策略：如何选择合适的代码进行编译、何时进行编译等都是JIT编译器需要解决的问题。

5. JVM性能调优

堆内存调优：通过调整-Xms（初始堆大小）和-Xmx（最大堆大小）来优化内存使用。
垃圾回收调优：选择不同的垃圾回收器（如Serial GC、Parallel GC、G1 GC等），通过-XX:+UseG1GC等参数来调节。
JVM参数调优：使用-Xss调整每个线程的栈大小，使用-XX:+PrintGCDetails查看GC日志。

6. JVM中的多线程和内存模型

内存模型（Java Memory Model, JMM）：定义了在多线程环境下，如何确保不同线程之间对共享变量的可见性和有序性。
同步机制：通过synchronized关键字和volatile变量来保证线程安全。

7. JVM常见问题

内存泄漏：即程序不断申请内存但未及时释放，导致内存占用不断增加。
OOM（OutOfMemoryError）：内存溢出，通常发生在堆内存不足时。
性能瓶颈：如GC频繁、JVM启动慢、JIT编译性能差等。

8. JVM与其他虚拟机的区别

Java与其他虚拟机（如Python的CPython、.NET的CLR等）相比，JVM的最大特点是字节码中立性，能够跨平台运行。

9. JVM的版本和工具

JVM版本：不同的JVM实现可能会有所不同，常见的有HotSpot（Oracle）、OpenJ9、GraalVM等。
工具：
- jps：查看JVM进程。
- jstack：查看线程堆栈。
- jstat：查看JVM的运行状态。
- jmap：查看堆的内存使用情况。

一、什么是直接内存？

直接内存（Direct Memory）并不是JVM运行时数据区的一部分，也不属于《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但它是Java程序在运行时经常使用的一块内存，也有可能引发OutOfMemoryError异常。

你可以把JVM管理的内存想象成一个大家庭，堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器都是这个家庭的成员，它们共同协作，支持Java程序的运行。而直接内存呢，就像是这个家庭旁边的一个邻居，虽然不属于这个家庭，但和这个家庭有着密切的联系，经常被这个家庭借用东西（内存）。

二、为什么使用直接内存？

高性能需求：直接内存的读写性能高于传统的JVM堆内存。这是因为，使用直接内存可以减少内存复制的次数。在进行大量数据的读写操作时，使用直接内存可以显著提高性能。
NIO操作：Java NIO（New Input/Output）库通过使用直接内存来提升IO操作的吞吐量。直接内存允许Java程序直接访问操作系统的内存，从而减少了数据在系统缓冲区和Java堆缓冲区之间复制的开销。
资源共享：直接内存是操作系统内存的一部分，可以被操作系统和Java程序共享访问。这使得数据处理更加高效，因为数据不需要在不同的内存区域之间来回复制。
避免垃圾回收：直接内存不受JVM的垃圾回收机制影响。这意味着，使用直接内存可以减少由于垃圾回收导致的性能波动，对一些高性能应用场景尤为重要。

三、直接内存与JVM内存的关系

虽然直接内存不属于JVM管理的内存区域，但它在Java程序中扮演着重要的角色。你可以把JVM管理的内存看作是Java程序的一个私有空间，而直接内存则是Java程序和操作系统共享的一个公共空间。

当Java程序需要执行一些高性能的IO操作时，它会向操作系统申请一块直接内存。这块内存可以被Java程序和操作系统同时访问，从而提高了数据处理的效率。

四、直接内存的使用与释放

在Java中，你可以使用ByteBuffer.allocateDirect()方法来分配一块直接内存。这个方法会返回一个DirectByteBuffer对象，它作为这块直接内存的引用。

然而，需要注意的是，直接内存的释放并不是由JVM自动完成的。当你不再需要使用这块直接内存时，你需要显式地释放它。这通常是通过调用System.gc()方法来触发垃圾回收，然后依赖Unsafe类（这是一个底层类，通常不建议直接使用）的freeMemory方法来释放直接内存。但在实际应用中，更常见的是依赖Java NIO库的内部机制来管理和释放直接内存。

五、注意事项

内存限制：直接内存的分配不会受到JVM堆大小的限制，但它仍然会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。因此，在分配直接内存时，你需要考虑到这些限制，以避免出现内存溢出的问题。
性能调优：虽然直接内存可以提高性能，但过度使用也可能导致性能下降。因此，你需要根据实际应用场景来合理分配和使用直接内存。

六、类比理解

为了更好地理解直接内存，我们可以把它比作一个快递中转站。当你需要寄送一个包裹时，你可以选择把包裹送到快递公司的中转站（直接内存），然后中转站会负责把包裹送到目的地（操作系统或Java程序）。这样，你就不需要亲自把包裹送到目的地了，从而节省了时间和精力。同样地，在Java程序中，使用直接内存可以节省数据复制的时间和内存开销，提高程序的性能。

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说一下类装载的执行过程？

类加载的执行过程

在Java中，类加载指的是将类的字节码从磁盘加载到内存中的过程。理解这个过程，可以帮助我们更好地掌握Java程序的执行机制，尤其是在开发中遇到与类加载相关的问题时，可以更有效地排查和解决问题。

类加载过程的类比

想象一下，类加载就像你去图书馆借书的过程：

书馆员（类加载器）：图书馆中的书馆员就像是Java中的类加载器（ClassLoader）。当你需要某本书时，你告诉书馆员书名（类名），书馆员会负责从图书馆的书架上把那本书拿给你。
书架（JAR包、类路径）：图书馆中的书架就像是存放类文件的地方。在Java中，这些地方就是类路径（Classpath）或者是JAR包。当你请求一本书（类）时，书馆员会根据书名（类名）去书架上找到对应的书。
借书的过程（类的加载、链接、初始化）：在你借书的过程中，书馆员不仅会拿到书，还会帮你做好一些准备工作，比如检查书籍是否损坏（验证类的有效性），是否需要进行排队（初始化类）。这相当于Java类加载过程中的加载、链接、初始化步骤。

Java类加载的三个步骤

Java中的类加载过程可以分为 加载（Loading）、链接（Linking） 和 初始化（Initialization） 三个阶段。我们详细地解释这三个步骤：

1. 加载（Loading）

加载是指类加载器找到类的字节码并将其加载到内存中的过程。就像书馆员找到了指定书名的书并准备好借给你。

过程： 类加载器根据类的全限定名（例如：com.example.MyClass）在类路径中查找对应的字节码文件（.class文件），并将其加载到JVM的内存中。
关键点： 类加载器会返回一个Class对象，表示这个类的结构和定义。

2. 链接（Linking）

链接的目的是将类的字节码与JVM运行时的数据结构绑定在一起。这个过程可以分为三个步骤：

验证（Verification）：检查字节码文件是否符合JVM规范，确保字节码没有被篡改，不会导致JVM崩溃或出现异常行为。就像书馆员确认书籍是否破损。
准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并赋予默认值。例如，静态变量int x;会在准备阶段分配内存并赋值为0。
解析（Resolution）：将类中引用的符号（例如方法调用、字段引用等）解析为内存中的地址或实际对象。例如，将类中的方法调用指向实际的方法实现。

3. 初始化（Initialization）

初始化是类加载过程中的最后一步，指的是在类加载完成后执行静态代码块和静态变量的初始化。

过程： 在类加载并通过验证和解析后，JVM会执行类中的静态代码块，初始化静态变量。每个类只会被初始化一次。
关键点： 如果一个类有静态代码块（如static {}），它将在类加载完成后执行。比如：
```
class MyClass {static {System.out.println("类初始化");}
}
```

类加载器的工作

在Java中，类加载器（ClassLoader）是负责加载类的对象。Java有几个重要的类加载器，它们在加载类时的职责不同：

Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）：负责加载Java核心类库（如java.lang.*包中的类），它是由JVM自带的，属于C++实现的。
Extension ClassLoader（扩展类加载器）：负责加载Java扩展库中的类（jre/lib/ext目录下的类）。
System ClassLoader（系统类加载器）：负责加载类路径（Classpath）下的类。通常我们使用的类都会由系统类加载器加载。

类加载的过程图示

请求类：例如，程序中调用new MyClass()。
查找类：系统类加载器首先会查找MyClass类，找不到就交给上一级加载器（比如扩展类加载器）。
加载类：如果类存在于类路径中，加载器会将它加载到JVM中。
链接：加载完成后，进行验证、准备和解析。
初始化：最后执行静态初始化代码，类准备就绪，可以使用。

类加载的特殊情况

懒加载（Lazy Loading）：Java中的类是按需加载的，意味着类只有在第一次使用时才会被加载，而不是在程序启动时就加载所有类。例如，只有在调用MyClass的构造函数时，MyClass类才会被加载到JVM内存中。
类加载器的父子关系：Java采用委派模型（Parent Delegation Model）来加载类，意味着子加载器在加载类时，会先委托给父加载器，如果父加载器找不到，才由子加载器负责加载。

总结

类加载过程可以类比为图书馆借书的过程，书馆员负责找到书、检查书籍并借给你。在Java中，类加载涉及三个步骤：加载、链接和初始化。每个步骤都有其独特的作用和过程。在实际开发中，我们通常需要了解如何通过类加载器来管理和加载不同的类，尤其是在复杂的企业应用中。

什么时候可以被垃圾回收？

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哪些对象可以做为GC root？

在Java中，GC（垃圾收集）根对象是垃圾收集器在确定哪些对象可以被回收时开始搜索的起点。为了通俗易懂地解释这个问题，我们可以用一种类比的方法。
想象一下，你有一个非常大的仓库，里面堆满了各种箱子（对象）。这些箱子之间有一些绳子（引用）连接着。如果你要清理仓库，你肯定不想随意扔掉箱子，因为有些箱子可能还很重要。所以，你需要找到那些特别重要的箱子，也就是没有人拉的箱子，这些就可以被认为是垃圾，可以清理掉。
在Java中，GC根对象就像是那些被固定在墙上的箱子，或者是那些被外界直接持有的箱子。它们包括：

局部变量：就像你手中拿着的箱子，只要你的手（局部变量）还拿着它，这个箱子（对象）就不能被清理。
活跃线程：就像仓库中的工人，只要工人（线程）还在工作，他手中和需要的工具（对象）就不能被清理。
静态变量：就像仓库中的货架，只要货架（类）还在，放在上面的箱子（静态变量）也不能被清理。
JNI（Java Native Interface）引用：就像仓库中的一些特殊箱子，被外部系统（如本地代码）直接使用，只要外部系统还需要，这些箱子也不能被清理。
系统类加载器加载的类：就像仓库的基础设施，如灯光、货架等，这些都是由仓库主人（系统类加载器）提供的，只要仓库还在运营，这些基础设施（类）就不能被清理。
垃圾收集器会从这些GC根对象开始，检查所有连接的箱子（对象），找出那些没有被任何绳子（引用）连接的箱子，这些箱子就是垃圾，可以被清理。这个过程就是Java中的垃圾收集。

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1. JVM概述

2. JVM架构

3. JVM的垃圾回收机制（GC）

4. JVM的执行过程

解释执行（Interpretation）

即时编译（Just-In-Time Compilation, JIT）

深入理解

5. JVM性能调优

6. JVM中的多线程和内存模型

7. JVM常见问题

8. JVM与其他虚拟机的区别

9. JVM的版本和工具

一、什么是直接内存？

二、为什么使用直接内存？

三、直接内存与JVM内存的关系

四、直接内存的使用与释放

五、注意事项

六、类比理解

说一下类装载的执行过程？

类加载的执行过程

类加载过程的类比

Java类加载的三个步骤

1. 加载（Loading）

2. 链接（Linking）

3. 初始化（Initialization）

类加载器的工作

类加载的过程图示

类加载的特殊情况

总结

什么时候可以被垃圾回收？

哪些对象可以做为GC root？

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