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JVM--虚拟机

news 来源：原创 2025/9/12 11:12:55

JVM,即虚拟机，可以简单理解为将字节码文件翻译成机器码的机器。

.class文件-->机器码文件

JVM整体组成部分

1.类加载器

负责从磁盘中加载字节码文件到JVM中

2.运行时数据区

按照不同的数据分区进行存储(方法区，堆，栈，本地方法栈，程序计数器)

3.执行引擎

把字节码编译成机器码

4.本地库接口

负责调用本地操作系统方法

类加载器子系统

概述

类加载器子系统

字节码文件----->加载阶段-->链接阶段-->初始化阶段

类加载器子系统负责从硬盘或者网络中加载字节码文件，类加载器只负责加载，是否能运行由运行引擎决定，加载的类信息存放在方法区

抽象理解：

字节码文件放在磁盘中，可以理解成一个模版设计草图，而加载到JVM中，就要编译成工程的图纸，工厂就能按照这个图纸实例出多个实例出来。

字节码文件加载到 JVM 中,被称为 DNA 元数据模板.

类加载过程

链接

加载------->验证---->准备---->解析------>初始化

1.加载

以二进制流的方式加载字节码，

在内存中为类生成一个Class类的对象，将静态存储转成运行时存储

(从硬盘到内存)

2.链接

验证

验证字节码格式是否正确

验证语法是否正确

准备

该阶段负责为类的静态属性分配内存，并设置初始值

这里的初始值与后面初始化阶段不同，这里是准备阶段

static a = 10;

在准备阶段设置的初始值为0；

在后面初始化阶段重新赋值为10；

解析

将静态文件中的指令符号引用替换成内存中直接引用

int a = 10; ----------> istore_1

字节码指令到内存操作指令

3.初始化

对类中静态变量进行赋值

类什么时候会被加载(初始化)？

1.使用类中的静态变量，静态方法

2.在一个类中运行main

3.创建对象

4.使用反射加载一个类

5.加载其子类时，会优先加载父类

加载类中静态常量时不会被初始化，静态常量在编译期间就被初始化赋值了

当类在加载阶段初始化完成，才能说类的整个加载过程结束。

类加载器

真正加载类，是加载类的实施者

分类

jvm角度分为

1.引导类加载器（启动类加载器），非java类语言编写，c/c++，jvm底层实现

2.其他类加载器，使用java语言实现，都继承java.lang.ClassLoader

开发者角度分为：

1.引导类加载器（启动类加载器）

java中系统提供的类，都是由启动类加载器加载的，如String类

2.扩展类加载器

Java语言编写，由Launcher$ExtClassLoader实现，派生与ClassLoader类

3.应用程序类加载器

Java语言编写，由Luncher$AppClassLoader实现，派生于ClassLoader类

加载程序员自己定义的类

4.自定义类加载器

自己编写的类继承ClassLoader类

双亲委派机制

1.如果一个类加载器收到加载请求，首先他会奖盖请求委托给父级类加载器；

2.如果该父级类加载器还有父级，就继续向上委托，直到启动类加载器；

3.如果父级类加载器可以完成该类的加载任务，就成功返回，否则依次向下级委托加载

优点：避免了用户自己编写的类替换了JAVA的核心类，例如：String类，Integer类等。

打破双亲委派

通过自定义的类加载器，重写类加载器中的findClass()方法

从而打破双亲委派

运行时数据区

1.程序计数器

记录程序执行的指令的位置用的（简单理解为记录程序运行到哪了）

特点：

内存小，运行速度快，线程私有(每个线程都有一个计数器)

生命周期与线程一致

不存在内存溢出与垃圾回收

2.虚拟机栈

栈是运行单位，管理方法(java方法)的运行(也就是解决程序的运行问题)

调用方法即入栈，运行完即出栈

栈是线程私有的，不存在垃圾回收，但是会出现内存溢出

每个线程创建时都会创建一个虚拟机栈，每次调用一个方法入栈，都可以看做一个栈帧入栈。

一个栈帧也就对应一个方法。

栈帧的构成：

执行引擎只会对当前栈帧进行操作，调用新的方法，就会有新的栈帧被创造且被置于栈顶

局部变量表：存储定义的变量，参数等

操作数栈

方法返回地址

int a = 10;

int b = 20;

int c = a+++b;//这一步的运算就是操作数栈

return;//记录被调用的方法位置，跟方法的返回值无关

3.本地方法栈

管理运行本地方法的地方，用于管理本地方法的调用，由C语言编写

常见的本地方法：用native 关键字修饰，没有方法体

hashCode();

getClass();

clone();

notify();

wait();

在本地方法栈中登记本地方法，在执行时加载本地方法库；

线程私有的，会出现内存溢出，不存在垃圾回收

4.堆(存储空间)

存放程序运行中产生的对象

是运行时数据区中最大的一块空间，大小可以调节（jvm调优）

线程共享，会出现内存溢出，存在垃圾回收(垃圾回收的重点区域)

4.1堆内存区域划分

新生区

伊甸园Eden：新创建的对象放在这

幸存者1：存放伊甸园区与另一个幸存者区经过垃圾回收后存会的对象

幸存者2：

两个幸存者区交替使用，始终有一个区域是空闲的

老年区

存放生命周期长的对象或者大的对象

生命周期长即经历过15次垃圾回收依然存活的对象就会被放在老年区

4.2分区的作用

可以根据不同对象的存活时间进行划分，生命较长的对象放入老年代，

从而减少垃圾回收的频率与扫描次数

当一个对象经过垃圾回收15次时依然存活就会将该对象放入老年区；

这里有人会问了为什么是15次？不是10次，20次？

在对象头有4bit位用来记录回收次数，可以设置回收次数，默认是15（1111）

新生代与老年代的比例为1:2

伊甸园与幸存者1和幸存者2的比例为8:1:1

4.3堆空间的参数设置

涉及JVM调优

jvm调优：根据程序实际运行的需要设置参数,调整各个区间比例大小

-XX:+PrintFlagsInitial查看所有参数的默认初始值

-Xms:初始堆空间内存

-Xmx:最大堆空间内存

-Xmn:设置新生代的大小

-XX:MaxTenuringTreshold:设置新生代垃圾的最大年龄

-XX:+PrintGCDetails 输出详细的 GC 处理日志

垃圾回收：

MInor GC：新生区垃圾回收频繁

Major GC：老年区垃圾回收较少

FULL GC：整堆垃圾回收尽可能避免

5.方法区

主要存储加载到虚拟机的类信息，

大小可以调整（-XX:MetaspaceSize）

线程共享，存在内存溢出，存在垃圾回收(条件苛刻)

同时满足以下3个条件才会进行垃圾回收：

1.这个类的所有对象以及子类对象都被销毁

2.加载这个类的类加载器也被销毁

3.这个类的Class对象没哟被引用(主要是反射)

本地方法接口

1.什么是本地方法？

就是一个JAVA调用非JAVA代码的接口；

用native关键字修饰(不与abstart连用)，没有方法体，由非JAVA语言实现；

实现体是由非JAVA语言(操作系统)在外面实现的。

2.为什么要使用本地方法？

与JAVA环境外进行交互；因为上层高级语言没有对底层硬件进行直接操作的权限，

需要调用操作系统提供的接口进行访问。

执行引擎

JVM核心组成部分之一，

负责将加载到JVM中的字节码指令解释/编译成对应平台上的本地机器指令。

类加载器子系统：把.Class文件加载到JVM中

执行引擎：把.Class文件编译成机器指令

1.概念区分

解释执行：

用解释器对代码逐行进行解释执行，

效率低，但不需要编译

编译执行：将某段代码进行整体编译，执行编译后的结果

编译花费时间，但是执行效率高

2.JAVA的半解释半编译

程序刚开始运行时采用逐行解释执行；

运行过程中，会将热点(高频)代码编译并缓存起来了(后面用到直接会用运行后的结果即可)；

两者结合，提高效率

垃圾回收

垃圾：程序运行中没有被任何引用的对象

不回收会导致内存溢出OOM

早期垃圾回收需要程序员手动实现，如果忘记回收，会导致内存泄露。

怎么回收？

垃圾收集器可以对新生代，老年代进行回收，什么对全栈，方法区都可以进行垃圾回收。

内存溢出：经过垃圾回收，内存依然不够使用，造成程序崩溃

内存不够用

内存泄露：对象在程序中不会被使用，但是又不能被垃圾回收器回收，在一直占用内存，最终导致内存溢出

内存被垃圾占用

单例模式中的单例对象

collection

socket

IO

这些资源通道没有及时关闭，垃圾回收器不能进行回收，就会造成内存泄漏。

STW(Stop The World)

指垃圾回收过程中会产生应用程序的停顿，停顿时整个应用线程都会被暂停，这个停顿称为STW.

为什么在垃圾回收中要进行STW?

垃圾回收中要分析哪些对象是垃圾，需要被回收，如果程序中的对象引用关系在不断变化，分析结果不准确，会出现漏标，错标的问题。

垃圾回收算法

1.标记阶段(判断哪些对象是垃圾)算法

引用计数算法(未被采用)：在对象中有一个计数属性，只要有引用指向该对象，计数器加1，有断开减1，如果计数器为0，表示此对象为垃圾。

实现简单，但技术器占用空间，加减计数需要时间开销，并且无法解决循环引用问题

可达性分析算法：从一些活跃对象开始搜索，与根对象相关联的对象都又被引用，与跟对象或者根对象引用链不相关的对象就是垃圾。

那些对象可以作为根对象Root?

虚拟机栈中被引用的对象

类中的静态属性

用作同步锁的对象

JAVA系统中的类

finalization机制

当对象被判定为垃圾，被回收前会调用一次finalize()；

由垃圾回收机制调用。

虚拟机中对象的三种状态

1.可触及的：在根节点的引用链上

2.可复活的：垃圾回收时没调用过finalize()的

3.不可触及的：垃圾回收时已经调用过finalize()的

对象不可触及时会被垃圾回收器回收

2.回收阶段算法

标记-复制算法

可以有多块内存，每次有一块是空的，将存活的对象复制一份到未被使用的内存中，然后清除其他块中的垃圾对象。

内存碎片少，适合存活对象少，垃圾对象多的内存（新生代）

标记-清除算法

将存活对象位置不变，将垃圾对象地址记录在一个空闲列表中，后面如果创建新的对象，就会直接覆盖掉垃圾对象

不移动对象，回收后，会产生内存碎片，效率高；适合老年代

标记-压缩算法

将存活的对象进行重新排列，排列到内存一端，将其余的内存进行清理。

要移动对象，回收后，进行压缩，不产生内存碎片，效率低；适合老年代

分代收集

根据不同区域特点进行回收，

年轻代，生命周期短，存活对象少，回收频繁，使用复制算法

老年代，生命周期长，存活对象多，回收频率低，采用清除和压缩算法混合使用。

垃圾回收器

垃圾回收器是jvm中真正进行垃圾回收的实践者，不同的厂商，不同版本实现方式都有不同。

使用时根据不同场景选择合适的垃圾回收器。

分类

从线程数量上分：

单线程Serial：适用于与一些小型设备，只有一个线程进行过垃圾回收

多线程Parallel：有多个线程进行垃圾回收

按工作数量分：

独占式：垃圾回收线程执行时，其他用户线程暂停执行

并发式：垃圾回收线程可以和用户线程一起执行

按照工作内存区间分:

老年代垃圾回收器：

新生代垃圾回收器：

GC性能指标

吞吐量：运行用户代码的时间/(运行用户代码的时间+运行垃圾收集代码的时间)

列举

回收器	代	线程模式	目标场景
Serial	年轻代	单线程	客户端/小内存
Serial Old	老年代	单线程	CMS 后备/小内存
ParNew	年轻代	多线程并行	低延迟（搭配 CMS）
Parallel Scavenge	年轻代	多线程并行	高吞吐量（搭配 Parallel Old）
Parallel Old	老年代	多线程并行	高吞吐量
CMS	老年代	并发	低延迟（已过时）
G1	全堆	并发	平衡吞吐量与延迟（主流）

CMS--Concurrent Mark Sweep

是首个实现垃圾实现垃圾收集线程与用户线程同时执行的；

但并不是一直都并发执行，也有独占执行

JDK 支持：JDK 5 引入，JDK 9 标记为废弃（Deprecated），JDK 14 移除。

初次标记：独占

并发标记：并发

重新标记：独占

并发清除：并发

G1--Garbage First

适用区域：全堆

JDK 支持：JDK 7 引入，JDK 9+ 成为默认回收器。

内存模型：

Region 分区：将堆划分为多个大小相等的 Region（1MB~32MB）。

动态分代：Region 可动态作为 Eden、Survivor、Old 或 Humongous(存放大对象区)

工作流程：

先分区，哪个区垃圾多，优先回收那个区域

目标:平衡吞吐量与延迟

JVM--虚拟机

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