快速了解JVM虚拟机

1. JVM虚拟机介绍

什么是JVM虚拟机

JVM（Java Virtual Machine）是一种虚拟机，它是Java语言的核心和关键部分，作为Java平台的核心组件，主要的作用是在不同的操作系统和硬件平台上提供一个标准的、运行Java程序的环境。JVM执行Java程序时，将字节码转化为机器码执行，这样就可以保证Java程序能够在不同的操作系统上运行而不需要做任何修改。

优势特点

跨平台性：Java源代码一经编译就变成了字节码，这些字节码可以被JVM解释执行，因此Java程序可以在任何支持JVM的系统上运行，从而实现跨平台的特性。

内存管理：JVM可以为应用程序提供自动内存管理，这意味着Java程序员不需要手动分配和释放内存，JVM会负责进行垃圾回收和内存分配，从而提高了程序的稳定性和可靠性。

异常处理：JVM提供了强大的异常处理机制，Java程序员可以捕获和处理各种不同的异常，从而保证程序平稳运行。

安全性：JVM可以通过安全管理器（Security Manager）来控制Java应用程序的访问权限，从而提高了程序的安全性和可信度

高性能：JVM对字节码进行解释执行，可以通过Just-In-Time（JIT）编译技术将热点代码编译成本地机器码，从而提高程序的执行效率。

可扩展性：JVM提供了一些扩展API和机制，可以方便地扩展虚拟机的功能，例如Java Native Interface（JNI）、Java Management Extension（JMX）等。

易开发：Java编程语言在设计时考虑了程序员的使用体验，因此Java程序员可以采用面向对象编程的方法进行开发，从而提高程序的可读性、可维护性和可重用性。

2.JVM 执行过程

1.Java源代码通过Java编译器编译成字节码。

2.JVM类加载器将字节码加载到内存中，验证它是否满足安全要求并遵循正确的语法。

3.字节码存储在堆内存的方法区中。

4.字节码验证器确保字节码是类型安全的，并且不会访问未授权的内存。

5.解释器读取字节码指令并执行它们。另外，字节码也可以由即时编译器（JIT）编译成本地机器代码以获得更好的性能。

6.执行引擎使用基于栈的评估模型来执行操作。本地变量存储在栈上的槽中。

7.当遇到方法调用时，会将一个新的帧推入栈中，以容纳新方法的参数和本地变量。

8.当方法返回时，该帧将从栈中弹出并且返回值（如果有）被放置在上一个方法的栈帧顶部。

9.垃圾回收周期性执行，以回收不再使用的内存。

10.当抛出异常时，JVM的异常处理机制被触发。异常由相应的异常处理程序处理，如果找不到处理程序，则会将堆栈展开，直到找到适当的处理程序。如果找不到适当的处理程序，则JVM会打印堆栈跟踪并终止程序。

3. JVM 主要组成部分

类加载器、运行时数据区域、执行引擎

类加载器

类加载器负责加载Java类文件，并将其转换为JVM可以理解的二进制格式。JVM使用三个不同的类加载器，分别是启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。启动类加载器加载JVM基础类，扩展类加载器加载JAVA_HOME目录下的类，应用程序类加载器从CLASSPATH环境变量中加载类。

类加载器有自己的命名空间，这允许它们严格控制哪些类可以被加载。当一个类被加载时，类加载器会将其存储在一块内存区域中，该内存区域称为方法区。

运行时数据区

运行时数据区是JVM中用于存储数据的区域。Java程序在实例化对象、调用方法以及执行其他操作时，运行时数据区才被使用。运行时数据区分为：

堆：用于存储Java对象，所有的对象都在堆中分配空间。
方法区：用于存储类信息、常量、静态变量等。
JVM栈：用于存储Java方法的局部变量和操作数栈。
本地方法栈：用于支持本地方法的执行。

执行引擎

执行引擎使用指针引用方法区的常量池、类信息、方法信息、静态变量、成员变量等。执行引擎的主要作用是按照字节码指令将程序指令转换为实际操作，然后在运行时执行这些操作。

执行引擎将执行操作分成两类，一类是根据操作数栈进行操作，另一类是通过访问局部变量表进行操作。执行引擎执行的指令包括算术操作、类型转换、判断条件语句、方法调用等等。

为了提高执行效率，执行引擎还提供了即时编译器和解释器两种执行方式。当JVM检测到某段代码被执行频率较高时，就会通过即时编译器将其编译成本地机器指令，从而提高执行效率。

总之，JVM的类加载器、运行时数据区和执行引擎是JVM的核心组成部分。它们共同合作，使Java程序得以在跨平台的环境中运行，并提供高效的执行性能和内存管理机制。

4.深入了解类加载器

类加载器负责将编译好的Java代码（.class文件）加载到内存中，并形成对这些类的引用。Java的类加载器是一个负责查找和加载类文件的机制，它将Java程序中用到的类加载到JVM的内存中。

Java的类加载器主要有以下几种：

Bootstrap ClassLoader：负责加载Java的核心类库（如Java API中的基本类）。
Extension ClassLoader：负责加载Java扩展库和一些第三方类库，比如javax.*。
System ClassLoader：负责加载应用程序的类库。

在JVM启动后，Bootstrap ClassLoader首先被启动，随后会加载Extension ClassLoader和System ClassLoader，它们形成了一条ClassLoader的层次关系链。当一个类需要被加载时，JVM按照这条ClassLoader层次关系链的顺序依次尝试加载对应的类，直到类被找到或者所有的ClassLoader尝试完毕。

类加载的过程

类加载的过程可以分为三个步骤：

加载：查找并加载类的二进制数据。
链接：将类的二进制数据合并到JVM的运行时环境中，并进行校验、解析等操作。
初始化：对类进行初始化，执行类的方法，对静态变量赋初值等。

在类加载的整个过程中，类加载器起到了重要作用，它负责加载和连接类的二进制数据，为JVM的运行时环境提供必要的支持。

类加载的器的特性

双亲委派机制：在类加载的过程中，ClassLoader按照一定的顺序尝试加载类，这个顺序是按照ClassLoader的层次关系链从上往下依次尝试。这个机制称为双亲委派机制，它的目的是为了保证类的唯一性和安全性。
热部署：通过动态生成.class文件，可以实现热部署的功能，即在应用程序运行期间可以动态地加载和卸载类。
自定义类加载器：在一些场景下，可能需要使用自定义的类加载器来加载特定的类或者资源，比如在Spring框架中就使用了自定义的类加载器。
OSGi机制：OSGi是一种动态模块化的Java架构，通过类加载器和模块化机制可以实现高度可插拔的系统架构

5.详细了解运行时数据区

程序计数器（Program Counter Register）：线程独有，记录当前线程执行到哪一行字节码指令，以便在发生分支、循环、子函数等转移时能恢复执行位置。
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：线程独有，用于保存Java方法执行的线程内部局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法执行时，Java虚拟机都会创建一个栈帧用于保存这些信息，方法执行后，相应的栈帧也会随之销毁。
本地方法栈（Native Method Stack）：与Java虚拟机栈类似，但是为Java虚拟机执行本地方法服务。
Java堆（Java Heap）：用于存储Java类实例化对象和数组等动态分配的内存空间。Java堆是Java虚拟机管理的最大的一块内存区域。
方法区（Method Area）：存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据。也被称为永久代（Permanent Generation），但在JDK 8之后，永久代被移除，改为使用元空间（Metaspace）来代替。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）：方法区的一部分，用于存储在编译期确定的一些常量，如字符串常量、final变量等。运行时常量池是每个类和接口的构成部分之一，在JVM加载类或接口时创建。

6.了解执行引擎

执行引擎是JVM的核心组件之一，它通过解释执行Java字节码来实现跨平台的特性。JVM执行引擎主要包括解释器和即时编译器（JIT），其中解释器可以直接解释Java字节码并执行，而JIT会将Java字节码编译成本地机器码后再执行，从而提高执行效率。

解释器执行过程：

读入字节码：解释器会读入Java字节码，并将其解析成指令流。
解释执行：解释器会逐条解释指令并执行，将结果保存在操作数栈、局部变量表等数据结构中。
栈帧切换：每个线程在执行Java方法时都会有一个对应的栈帧，当进入一个方法时，解释器会创建一个新的栈帧，并将其压入虚拟机栈中；当方法执行完毕后，解释器会将该栈帧弹出，栈帧切换到上一个方法继续执行。

JIT编译器执行过程：

读入字节码：JIT编译器会读入Java字节码，并将其解析成指令流。
分析优化：JIT编译器会对指令流进行静态分析，并根据分析结果进行一系列优化，包括方法内联、常量折叠、去除死代码等。
编译执行：JIT编译器将优化后的Java字节码编译成本地机器码后执行，从而提高执行效率。编译后的机器码也可以缓存，下次执行同样的代码时直接执行编译后的机器码。

执行器总结:

JVM执行引擎是通过解释执行Java字码并执行，才能实现跨平台的特性。具体来说，当Java程序编译成字节码后，JVM执行引擎就会读入这些字节码，并根据其指令集进行解释或编译执行。JVM执行引擎是JVM的核心组件之一，其中包含解释器和即时编译器（JIT），它们分别使用不同的方式来执行Java字节码。

解释器通过逐条解释并执行Java字节码来实现程序的运行，而即时编译器则会将Java字节码编译成本地机器码，然后再执行。相比于解释执行，编译执行具有更高的性能和更好的优化效果。但是，由于编译需要时间，所以在程序刚启动时，解释器通常会比即时编译器更快。

JVM执行引擎的另一个重要组成部分是垃圾收集器（GC），它用于管理Java程序中的内存分配和回收。当Java程序创建了一个对象时，垃圾收集器会自动跟踪这个对象的使用情况，并在对象不再被使用时将其回收。垃圾收集器可以帮助程序员避免手动管理内存分配和回收，从而减少程序中的错误和漏洞。

7.学习垃圾回收机制

在执行Java程序时，JVM会在堆中分配内存用于存储对象，当对象不再被引用时就会成为垃圾，这些垃圾对象需要被清除，JVM的垃圾回收机制就是用来清除这些垃圾对象的。

垃圾回收算法:

标记-清除算法：首先标记所有还在使用的对象，然后清除未标记的对象，但是这种算法会产生内存碎片。
标记-整理算法：首先标记所有还在使用的对象，然后将这些对象移到内存的一端，然后直接清除较大块的未标记内存。
复制算法：将垃圾回收时还存活的对象复制到一块新的内存，然后清除原来的内存。
分代回收算法：将堆空间划分为新生代和老年代，新生代存放新生的对象，老年代存放存活时间较长的对象，针对不同年龄段的对象选择不同的回收算法。

其中第四种算法是目前主要的垃圾回收算法，JVM中使用的垃圾回收器包括Serial、CMS、G1等等。不同的垃圾回收器实现了不同的垃圾回收算法，根据应用程序的不同，可以选择合适的垃圾回收器，以达到更好的性能和更少的停顿时间。

常用垃圾回收器:

1. Serial垃圾回收器

Serial是JVM中最基本的垃圾回收器之一，用于新生代的垃圾回收。它采用“复制算法”（Copying Algorithm），将新生代分为一个较大的Eden空间和两个较小的Survivor空间，将对象首先分配在Eden空间中，然后进行垃圾回收时，会将Eden空间中的存活对象移动到其中一个Survivor区中，同时清理Eden空间和另一个Survivor区中的垃圾对象。每次回收都会在两个Survivor区中选择一个空的区域来进行存活对象的保留。该算法简单高效，但不能处理大型和长寿命的对象，并且会产生内存碎片。

2. CMS垃圾回收器

CMS是一种用于老年代的垃圾回收器，它采用“标记-清除算法”（Mark-Sweep Algorithm），并且支持并发回收，从而减少了垃圾回收时的停顿时间。首先，它会在堆内存中标记所有存活的对象，然后会清除所有未标记对象的内存，最后，它会执行一次迭代，来确保所有对象都已被正确的标记和清除。CMS在垃圾回收时，会产生浮动垃圾（Floating Garbage），需要协调处理。

3. G1垃圾回收器

G1（Garbage First）是一种用于高吞吐量（High Throughput）应用的垃圾收集器，它将整个Java堆划分为了一个大小相等的几个Region，并尽量避免产生内存碎片。它采用“分代垃圾回收算法”（Generational Garbage Collection Algorithm），将堆内存划分为新生代和老年代。G1的工作模式分为以下几个步骤：

初始标记阶段（Initial Marking Phase）：标记与根对象直接关联的可达对象。
并发标记阶段（Concurrent Marking Phase）：执行全局标记，标记剩余的可达对象。
最终标记阶段（Final Marking Phase）：标记产生在并发标记期间的新添加的对象。
筛选回收阶段（Live Data Counting and Evacuation Phase）：从最具价值的Region开始进行垃圾回收。

G1的垃圾回收操作与应用程序的执行是分散进行的，因此，它具有更平均的响应性和更少的停顿时间。

8.了解常用的JVM性能分析工具

JVM性能分析工具可以帮助开发人员进行必要的性能分析，以找出程序性能瓶颈和优化的机会。其中，JConsole和JVisualVM是JVM中常用的性能分析工具。

1. JConsole

JConsole是JDK自带的一个Java监控工具，用于监控和管理JVM，它对JVM的各种资源（如内存、线程、类、CPU使用情况等）进行可视化展示。JConsole的主要功能包括：监控JVM的资源使用情况、MBean的管理和操作、执行JMX代理方法等。JConsole可以用于在开发环境中快速定位性能问题，也可以用于在生产环境中对JVM进行监控。

2. JVisualVM

JVisualVM是一种多合一的性能分析工具，提供了诸如CPU以及堆分析工具等，是一个很好的Java虚拟机性能分析工具。它可以监测应用程序的线程、内存、CPU以及类的加载和卸载情况等，并且还支持创建内存、CPU和线程转储文件进行离线分析。在JVisualVM中，开发人员可以使用不同的插件来扩展它的功能。

3. JProfiler

JProfiler是功能丰富的Java应用程序性能分析工具，主要用于性能优化、探测内存泄漏及线程问题等。它支持CPU分析、内存分析、线程分析等多种分析方式，并提供了一些性能优化建议，帮助开发人员快速提高程序性能。

4.Flight Recorder

Flight Recorder是JDK自带的事件记录器，可以记录Java应用程序在运行时的各种事件信息，如CPU、垃圾回收等。它可以提供详细的性能统计信息，帮助开发人员分析程序的性能问题，并且可以导出数据，供离线分析使用

5. Java Mission Control

Java Mission Control是Oracle提供的一款强大的JVM性能分析工具，它可以帮助开发人员深入分析JVM的性能问题，包括性能瓶颈、内存泄漏等。Java Mission Control可以监测并分析应用程序在运行时的各种指标，如CPU、内存、线程、垃圾回收等。它提供了详细的分析报告和可视化图表，方便开发人员直观的了解程序的性能。

6. VisualGC

VisualGC是一个开源的JVM性能分析工具，它可以用于监控JVM的内存、垃圾回收、类和线程等信息。VisualGC提供了可视化的图表，帮助开发人员更直观地了解JVM的性能和资源使用情况。它是一个轻量级的工具，易于安装和使用。

7. Java Heap Profiler

Java Heap Profiler是一款强大的JVM性能分析工具，它可以帮助开发人员深入分析和优化Java应用程序的性能。它可以监控JVM的内存使用情况，并快速定位内存泄漏问题。Java Heap Profiler提供了多种分析方式，包括可视化图表、树状图等，方便开发人员查看JVM内存使用情况。

结尾

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