走进底层 - JVM工作原理入门指南
Java 之所以可以大概实现“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere, WORA），核心在于 Java 虚拟机（JVM, Java Virtual Machine）。JVM 是 Java 程序的运行情况，负责将 Java 字节码（.class 文件）转换成呆板码并执行。
本文将从 JVM 的基本结构、内存管理、类加载机制 和 垃圾接纳（GC） 四个方面，初步了解 JVM 的工作原理。
1. JVM 的基本结构
JVM 主要由以下几个核心部分构成：
- 类加载子系统
- 负责加载 .class 文件到内存，并天生对应的 Class 对象。
- 运行时数据区
- 包括 方法区（Method Area）、堆（Heap）、虚拟机栈（VM Stack）、本地方法栈（Native Method Stack） 和 程序计数器（Program Counter Register）。
- 执行引擎
- 负责执行字节码，包括 解释器（Interpreter） 和 即时编译器（JIT Compiler）。
- 本地方法接口
2. 运行时数据区（内存模型）
JVM 的内存主要分为以下几个部分：
(1) 方法区（Method Area）
- 用于存储已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。在 JDK 8 及之后的版本中，方法区利用元空间（Metaspace）来实现，元空间并不在堆内存中，而是利用本地内存。常量池是方法区的一部分，它存储了各种常量，包括字符串常量、基本数据范例常量等
(2) 堆
- 全部对象实例和数组都在堆上分配，是垃圾接纳（GC）的主要区域，也是jvm的最大区域。
- 分为：
- 新生代：存放新创建的对象，分为 Eden 区 和 Survivor 区（S0、S1）。
- 老年代：存放恒久存活的对象。
- 元空间（JDK 8+）：取代永久代，存储类元数据。
(3) 虚拟机栈
- 每个线程在运行时都会有一个对应的 Java 虚拟机栈。它由一个个栈帧（Stack Frame）构成，栈帧用于存储局部变量表、操纵数栈、动态链接、方法出口等信息。当一个方法被调用时，就会创建一个新的栈帧并压入栈顶，方法执行完毕后，栈帧就会从栈顶弹出。局部变量表用于存储方法中的局部变量，包括基本数据范例和对象引用。操纵数栈则用于方法执行过程中的运算操纵
(4) 本地方法栈
- 类似于虚拟机栈，但用于执行 本地方法（如 C/C++ 代码）。
(5) 程序计数器
- 可以理解为一个指针，它记载了当前线程正在执行的字节码指令的地址。如果当前线程正在执行一个 Java 方法，那么程序计数器中保存的就是正在执行的字节码指令的地址；如果正在执行的是本地方法（Native Method），那么程序计数器的值就是未界说的。由于 Java 是多线程的，每个线程都有本身独立的程序计数器，这样当线程切换时，就可以大概规复到正确的执行位置
3. 类加载机制
JVM 加载 .class 文件的过程分为 加载、连接、初始化 三个阶段：
(1) 加载（Loading）
- 通过 类加载器（ClassLoader） 查找 .class 文件并加载到内存。
- 类加载器分类：
- Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：加载 JAVA_HOME/lib 下的核心类（如 java.lang.*）。
- Extension ClassLoader（扩展类加载器）：加载 JAVA_HOME/lib/ext 下的扩展类。
- Application ClassLoader（应用类加载器）：加载用户类路径（classpath）下的类。
- 自界说 ClassLoader：用户可继承 ClassLoader 实现本身的加载逻辑。一样平常用于服务器的加载器（因为同一个类名不会被反复加载，因此为了防止同类名不同数据的类被省略，必要自界说一个类实现多个对象）
(2) 连接
- 验证：检查字节码是否符合 JVM 规范。
- 准备：为静态变量分配内存并赋默认值（如 int 默认 0）
- 剖析：将符号引用（如 java.lang.Object）替换为直接引用（内存地址），也就是类名等字符转换为地址
(3) 初始化
- 执行静态代码块（static {}）和静态变量赋值。
- 采用 双亲委派机制 避免重复加载类。
4. 垃圾接纳（GC）
JVM 主动管理内存，通过 垃圾接纳器 接纳不再利用的对象。
(1) 怎样判断对象可接纳？
- 引用计数法（Python 利用）：对象被引用时计数+1，为 0 时接纳（但 Java 不采用，因为无法解决循环引用问题）。
- 可达性分析：从 GC Roots（如虚拟机栈、静态变量、本地方法栈引用的对象）出发，标记全部可达对象，不可达的视为垃圾。
(2) 垃圾接纳算法
- 标记-清除：标记垃圾对象后直接清除，但会产生内存碎片。
- 复制：将存活对象复制到另一块内存（用于 新生代，如 Eden → Survivor）。
- 标记整理：标记存活对象后整理内存（用于 老年代）。
5. 执行引擎
JVM 执行字节码的方式：
- 解释执行：逐行解释字节码，执行速度较慢。
- 即时编译（JIT）：将热门代码（HotSpot）编译成呆板码，提高执行速度
总结
构成部分核心功能类加载子系统加载 .class 文件到内存运行时数据区存储类信息、对象、方法调用等执行引擎解释或编译执行字节码垃圾接纳（GC）主动接纳无用对象，释放内存 JVM 是 Java 生态的核心，理解其工作原理有助于优化代码、排查内存走漏（OOM）和提升性能。
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