JVM初学者指南：Java虚拟机基础知识 笔记

JVM初学者指南：Java虚拟机基础知识全解析

摘要：本文记录了Java虚拟机(JVM)的基本概念、架构、内存模型及工作原理的相关笔记 - lenyan。

一、JVM简介

1.1 什么是JVM？

JVM(Java Virtual Machine，Java虚拟机)是运行Java字节码的虚拟机。JVM是Java"一次编写，到处运行"这一特性的关键所在。无论什么平台，只要安装了对应的JVM，就能运行Java程序。

JVM有以下核心特点：

• 跨平台性：Java代码被编译成字节码后，可以在任何安装了JVM的设备上运行
• 自动内存管理：通过垃圾回收机制自动释放不再使用的内存
• 安全性：提供沙箱安全机制，限制Java程序访问本地系统资源

1.2 JVM在Java体系中的位置

Java体系结构分为三个主要部分：

1. Java编程语言：开发人员使用的高级编程语言
2. Java虚拟机(JVM)：运行Java字节码的虚拟机
3. Java API(类库)：Java提供的标准类库

二、JVM架构详解

2.1 JVM整体架构

JVM主要由以下部分组成：

1. 类加载子系统(Class Loader Subsystem)
2. 运行时数据区(Runtime Data Area)
3. 执行引擎(Execution Engine)
4. 本地方法接口(Native Method Interface)
5. 本地方法库(Native Method Library)

2.2 类加载子系统

类加载子系统负责加载、链接和初始化类文件。类加载过程分为三个阶段：

1. 加载(Loading)：

   • 通过类的全限定名获取该类的二进制字节流
   • 将字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
   • 在内存中生成一个代表该类的java.lang.Class对象

2. 链接(Linking)：

   • 验证(Verification)：确保字节码符合JVM规范，不会危害虚拟机安全
   • 准备(Preparation)：为类的静态变量分配内存并设置初始值
   • 解析(Resolution)：将常量池中的符号引用替换为直接引用

3. 初始化(Initialization)：

   • 执行类构造器()方法，为类的静态变量赋予正确的初始值

类加载器主要有四种：

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：加载Java核心类库
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：加载扩展类库
• 应用类加载器(Application ClassLoader)：加载应用程序类路径下的类
• 自定义类加载器(User-Defined ClassLoader)：用户自定义的类加载器

2.3 JVM内存结构

JVM运行时数据区主要包括：

1. 方法区(Method Area)：

   • 存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等
   • JDK8之前称为永久代(PermGen)，JDK8及以后称为元空间(Metaspace)

2. 堆(Heap)：

   • 存储对象实例及数组
   • 所有线程共享
   • 垃圾收集器管理的主要区域

3. Java虚拟机栈(JVM Stack)：

   • 线程私有
   • 每个方法执行时会创建一个栈帧(Stack Frame)
   • 栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息

4. 本地方法栈(Native Method Stack)：

   • 为本地方法(Native Method)服务
   • 类似于Java虚拟机栈

5. 程序计数器(Program Counter Register)：

   • 线程私有，占用很小的内存空间
   • 指示当前线程所执行的字节码指令的地址

三、垃圾回收机制

3.1 垃圾回收算法

1. 标记-清除算法(Mark-Sweep)：

   • 标记阶段：标记出所有需要回收的对象
   • 清除阶段：统一回收被标记的对象
   • 缺点：效率低，产生内存碎片

2. 复制算法(Copying)：

   • 将内存分为相等的两块，每次只使用其中一块
   • 当这一块内存用完，就将存活对象复制到另一块
   • 优点：效率高，没有内存碎片
   • 缺点：内存利用率低

3. 标记-整理算法(Mark-Compact)：

   • 标记阶段：与标记-清除算法一样
   • 整理阶段：将存活对象移到内存的一端，清理边界以外的内存
   • 优点：不产生内存碎片
   • 缺点：移动对象需要成本

4. 分代收集算法(Generational Collection)：

   • 根据对象存活周期的不同，将内存分为几块
   • 一般将堆分为新生代和老年代
   • 新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法

3.2 垃圾回收器

常见的垃圾回收器包括：

1. Serial收集器：单线程收集器，简单高效
2. ParNew收集器：Serial收集器的多线程版本
3. Parallel Scavenge收集器：关注吞吐量的收集器
4. Serial Old收集器：Serial收集器的老年代版本
5. Parallel Old收集器：Parallel Scavenge收集器的老年代版本
6. CMS收集器：关注最短停顿时间的收集器
7. G1收集器：区域化分代式的收集器，可预测停顿时间
8. ZGC收集器(Java 11+)：低延迟垃圾收集器
9. Shenandoah收集器：与ZGC类似的低延迟收集器

四、JVM调优基础

4.1 常用JVM参数

1. 堆内存相关：

   • -Xms：设置堆的初始大小
   • -Xmx：设置堆的最大大小
   • -Xmn：设置新生代大小

2. 垃圾回收相关：

   • -XX:+UseSerialGC：使用Serial & Serial Old收集器
   • -XX:+UseParallelGC：使用Parallel Scavenge & Parallel Old收集器
   • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用ParNew & CMS收集器
   • -XX:+UseG1GC：使用G1收集器

3. 类加载相关：

   • -XX:PermSize：方法区初始大小(JDK8前)
   • -XX:MaxPermSize：方法区最大大小(JDK8前)
   • -XX:MetaspaceSize：元空间初始大小(JDK8+)
   • -XX:MaxMetaspaceSize：元空间最大大小(JDK8+)

4.2 JVM监控与分析工具

1. 命令行工具：

   • jps：显示当前所有Java进程的PID
   • jstat：监视虚拟机各种运行状态信息
   • jinfo：实时查看和调整虚拟机参数
   • jmap：生成堆转储快照
   • jhat：分析堆转储快照
   • jstack：生成虚拟机当前线程快照

2. 可视化工具：

   • JConsole：Java监视与管理控制台
   • VisualVM：多合一故障处理工具
   • JMC(Java Mission Control)：Java任务控制工具
   • MAT(Memory Analyzer Tool)：内存分析工具
   • Arthas：阿里开源的Java诊断工具

五、JVM实战问题解析

5.1 常见JVM异常及解决方案

1. OutOfMemoryError: Java heap space

   • 原因：堆内存不足
   • 解决方案：增加堆内存大小，检查内存泄漏

2. OutOfMemoryError: PermGen space / Metaspace

   • 原因：方法区/元空间内存不足
   • 解决方案：增加方法区/元空间大小，检查类加载问题

3. StackOverflowError

   • 原因：栈溢出，通常由递归调用过深导致
   • 解决方案：检查递归逻辑，增加栈大小

4. OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

   • 原因：垃圾回收效率太低
   • 解决方案：增加堆内存，优化代码减少对象创建

5.2 性能调优实例

1. 案例一：应用程序启动慢

   • 分析：类加载和JIT编译占用时间长
   • 解决方案：使用AOT编译，类共享技术

2. 案例二：频繁Full GC

   • 分析：老年代空间不足或内存泄漏
   • 解决方案：增加老年代空间，修复内存泄漏问题

3. 案例三：系统吞吐量低

   • 分析：GC暂停时间长，影响系统响应
   • 解决方案：调整垃圾回收器，使用低延迟收集器如G1或ZGC

六、总结与展望

JVM是Java生态系统的核心组件，理解JVM的工作原理对于编写高效、稳定的Java应用程序至关重要。随着Java技术的不断发展，JVM也在不断优化，如引入了ZGC、Shenandoah等低延迟垃圾收集器，优化了JIT编译器等。

作为Java开发者，我们应当不断学习JVM相关知识，掌握JVM调优技巧，以便在实际工作中解决各种JVM相关问题，提升应用程序性能。

参考资料

1. 《深入理解Java虚拟机》（第3版）- 周志明
2. Oracle JVM规范
3. JVM官方文档

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