JVM核心技术解析

我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、CSDN博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

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由于篇幅限制，我将分几个部分详细补充说明文章中涉及的技术点。

类加载机制

在Java中，类加载器是负责将类定义从文件系统或网络中加载到JVM中的组件。JVM的类加载机制确保了每个类只被加载一次。以下是类加载机制的详细实现：

• 加载阶段：类加载器通过查找并读取类文件，将其转换为一个二进制表示的Class对象，存储在方法区中。在加载过程中，类加载器可能会调用类文件中的静态初始化代码块。

• 连接阶段：连接过程分为验证、准备和解析三个子阶段。

  • 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全风险。
  • 准备：为类变量分配内存，并将其初始化为默认值（对于数值类型为0，对于对象引用为null）。
  • 解析：将符号引用替换为直接引用，即指向方法区的指针。

• 初始化阶段：初始化阶段会执行类构造器()，它是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种Java类加载器的加载策略。按照这种策略，当一个类加载器收到类加载请求时，它会先请求其父类加载器进行加载。只有当父类加载器无法完成加载任务时，才由子类加载器自己完成加载。

• 启动类加载器：它负责加载rt.jar（JDK的核心库）等核心类库。
• 扩展类加载器：它负责加载jre/lib/ext目录中的类库，或由系统变量java.ext.dirs指定的目录中的类库。
• 应用类加载器：它负责加载用户类路径（classpath）上的类库。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者定义自己的加载逻辑，这在特定场景下非常有用，如加载特定格式的文件、实现类隔离等。

• 类加载器继承ClassLoader类。
• 重写findClass方法：该方法负责将类名转换成Class对象。
• 注册自定义类加载器：通过System类的setSecurityManager方法注册自定义类加载器。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块来组织代码，提供了更好的隔离性和版本控制。

• 模块：是一个包含一组相关类和资源的容器。
• 模块描述符：描述了模块的依赖关系、提供的服务和所需的服务。
• 模块路径：用于指定模块文件的位置。

内存模型

JVM的内存模型由以下部分组成：

• 堆：堆是JVM管理的内存区域，用于存储对象实例和数组的内存分配。堆的大小可以通过JVM启动参数来设置，如-Xms和-Xmx。
• 栈：栈是每个线程私有的内存区域，用于存储局部变量和部分方法调用信息。栈的大小通常较小，且不会随着JVM进程的运行而动态变化。
• 方法区：方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。
• PC寄存器：PC寄存器是每个线程私有的寄存器，用于存储当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM耗尽内存空间的情况。以下是几种常见的内存溢出场景：

• 堆内存溢出：当应用程序创建过多的对象或对象生命周期过长时，会导致堆内存不足。
• 栈内存溢出：当方法调用太深或递归调用过多时，会导致栈内存不足。
• 方法区溢出：当类定义过多或类定义过大时，会导致方法区内存不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的关键机制。以下是垃圾回收的详细实现：

• GC Roots可达性分析：GC Roots是一组对象，从这些对象开始向上遍历，可达的对象被认为是存活的对象，不可达的对象被认为是垃圾。
• 分代收集理论：JVM将对象分为新生代和老年代，针对不同代使用不同的回收策略。
• 引用类型：不同类型的引用决定了对象的生命周期，例如强引用、软引用、弱引用和虚引用。

垃圾回收算法

垃圾回收算法主要有以下几种：

• 标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制：将对象复制到另一个区域，并清除原区域的对象。
• 整理：移动存活对象，清理内存碎片。

并发收集器

并发收集器在执行垃圾回收时，允许应用程序继续运行，从而降低停顿时间。以下是几种常见的并发收集器：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：适合响应时间敏感的应用。
• G1（Garbage-First）：适合大内存应用。
• ZGC（Z Garbage Collector）：适合对响应时间要求极高的应用。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，以减少GC引起的停顿时间。以下是一些常见的策略：

• 调整垃圾回收算法：选择适合应用程序的垃圾回收算法。
• 调整堆大小：通过调整堆大小来减少垃圾回收的频率。
• 调整JVM参数：通过调整JVM参数来控制垃圾回收行为。

性能调优

性能调优是提高Java应用程序性能的重要手段。以下是几种常见的性能调优方法：

• JVM参数配置：通过调整JVM参数来优化内存使用。
• 内存泄漏诊断：使用工具诊断内存泄漏。
• JIT编译优化：JVM的即时编译器（JIT）对代码进行优化，提高执行效率。

以上是JVM知识体系中关键知识点的详细补充说明。接下来，我们将对Spring Boot知识体系进行补充说明。

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