JVM基礎知識都有什么
JVM基礎知識都有什么
Java虛擬機（JVM）是Java平臺的核心組件之一，它負責執行Java字節碼，并提供了內存管理、垃圾回收、線程管理等功能。理解JVM的基礎知識對于Java開發者來說至關重要，因為它不僅幫助我們編寫高效的代碼，還能在出現性能問題時提供診斷和優化的思路。本文將詳細介紹JVM的基礎知識，包括JVM的架構、內存模型、垃圾回收機制、類加載機制等。
1. JVM架構概述
JVM的架構可以分為三個主要部分：類加載器（Class Loader）、運行時數據區（Runtime Data Areas）和執行引擎（Execution Engine）。
1.1 類加載器（Class Loader）
類加載器負責將Java類文件（.class文件）加載到JVM中。JVM中的類加載器采用雙親委派模型（Parent Delegation Model），即當一個類加載器需要加載一個類時，它首先會委托其父類加載器去加載，只有在父類加載器無法加載時，子類加載器才會嘗試加載。
JVM中有三種主要的類加載器：
- 啟動類加載器（Bootstrap Class Loader）：負責加載JVM核心類庫（如
java.lang.*），通常由C++實現，是JVM的一部分。
- 擴展類加載器（Extension Class Loader）：負責加載
<JAVA_HOME>/lib/ext目錄下的類庫。
- 應用程序類加載器（Application Class Loader）：負責加載用戶類路徑（Classpath）上的類庫。
1.2 運行時數據區（Runtime Data Areas）
運行時數據區是JVM在執行Java程序時所使用的內存區域，主要包括以下幾個部分：
- 方法區（Method Area）：用于存儲類的元數據、常量、靜態變量等。在JDK 8之前，方法區被稱為永久代（PermGen），但在JDK 8及以后，方法區被替換為元空間（Metaspace），元空間使用本地內存（Native Memory）來存儲類的元數據。
- 堆（Heap）：堆是JVM中最大的一塊內存區域，用于存儲對象實例和數組。堆是所有線程共享的內存區域，也是垃圾回收的主要區域。
- 棧（Stack）：每個線程在創建時都會分配一個棧，棧用于存儲局部變量、方法參數、返回值等。棧是線程私有的內存區域，每個方法在執行時都會創建一個棧幀（Stack Frame），棧幀中包含了方法的局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。
- 程序計數器（Program Counter Register）：程序計數器是線程私有的內存區域，用于記錄當前線程執行的字節碼指令地址。如果當前線程正在執行Java方法，程序計數器記錄的是正在執行的字節碼指令地址；如果當前線程正在執行本地方法（Native Method），程序計數器的值為空（Undefined）。
- 本地方法棧（Native Method Stack）：本地方法棧與棧類似，但它是為本地方法（Native Method）服務的。本地方法棧也是線程私有的內存區域。
1.3 執行引擎（Execution Engine）
執行引擎負責執行字節碼指令。JVM的執行引擎主要有兩種實現方式：解釋執行和即時編譯（Just-In-Time Compilation，JIT）。
- 解釋執行：解釋器逐條讀取字節碼指令并執行。解釋執行的優點是啟動速度快，但執行效率較低。
- 即時編譯（JIT）：JIT編譯器將熱點代碼（HotSpot Code）編譯為本地機器碼，以提高執行效率。JIT編譯器會根據代碼的執行頻率動態決定哪些代碼需要編譯為本地機器碼。
2. JVM內存模型
JVM的內存模型是理解JVM內存管理的基礎。JVM的內存模型主要包括堆、棧、方法區、程序計數器和本地方法棧。
2.1 堆（Heap）
堆是JVM中最大的一塊內存區域，用于存儲對象實例和數組。堆是所有線程共享的內存區域，也是垃圾回收的主要區域。堆可以分為新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
- 新生代：新生代是對象創建的主要區域，大多數對象在新生代中被創建和銷毀。新生代又可以分為Eden區、Survivor區（From區和To區）。新創建的對象首先分配在Eden區，當Eden區滿時，會觸發一次Minor GC，將存活的對象復制到Survivor區。經過多次Minor GC后仍然存活的對象會被晉升到老年代。
- 老年代：老年代用于存儲存活時間較長的對象。當老年代空間不足時，會觸發一次Full GC，Full GC會對整個堆進行垃圾回收。
2.2 棧（Stack）
棧是線程私有的內存區域，用于存儲局部變量、方法參數、返回值等。每個方法在執行時都會創建一個棧幀，棧幀中包含了方法的局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。
2.3 方法區（Method Area）
方法區用于存儲類的元數據、常量、靜態變量等。在JDK 8之前，方法區被稱為永久代（PermGen），但在JDK 8及以后，方法區被替換為元空間（Metaspace），元空間使用本地內存（Native Memory）來存儲類的元數據。
2.4 程序計數器（Program Counter Register）
程序計數器是線程私有的內存區域，用于記錄當前線程執行的字節碼指令地址。如果當前線程正在執行Java方法，程序計數器記錄的是正在執行的字節碼指令地址；如果當前線程正在執行本地方法（Native Method），程序計數器的值為空（Undefined）。
2.5 本地方法棧（Native Method Stack）
本地方法棧與棧類似，但它是為本地方法（Native Method）服務的。本地方法棧也是線程私有的內存區域。
3. 垃圾回收機制
垃圾回收（Garbage Collection，GC）是JVM自動管理內存的機制，它負責回收不再使用的對象，釋放內存空間。JVM的垃圾回收機制主要包括以下幾個部分：
3.1 垃圾回收算法
JVM中常用的垃圾回收算法包括：
- 標記-清除算法（Mark-Sweep）：標記-清除算法分為兩個階段：標記階段和清除階段。在標記階段，垃圾回收器會標記所有存活的對象；在清除階段，垃圾回收器會清除所有未被標記的對象。標記-清除算法的優點是實現簡單，缺點是會產生內存碎片。
- 復制算法（Copying）：復制算法將內存分為兩個相等的區域，每次只使用其中一個區域。當使用的區域滿時，垃圾回收器會將存活的對象復制到另一個區域，并清空當前區域。復制算法的優點是不會產生內存碎片，缺點是內存利用率較低。
- 標記-整理算法（Mark-Compact）：標記-整理算法分為三個階段：標記階段、整理階段和清除階段。在標記階段，垃圾回收器會標記所有存活的對象；在整理階段，垃圾回收器會將所有存活的對象移動到內存的一端；在清除階段，垃圾回收器會清除邊界以外的內存。標記-整理算法的優點是不會產生內存碎片，缺點是整理階段的開銷較大。
3.2 垃圾回收器
JVM中常用的垃圾回收器包括：
- Serial收集器：Serial收集器是單線程的垃圾回收器，它在進行垃圾回收時會暫停所有用戶線程（Stop-The-World）。Serial收集器適用于單核CPU或小內存的應用場景。
- Parallel收集器：Parallel收集器是多線程的垃圾回收器，它在進行垃圾回收時會使用多個線程并行執行垃圾回收任務。Parallel收集器適用于多核CPU或大內存的應用場景。
- CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）：CMS收集器是一種以最短停頓時間為目標的垃圾回收器，它在進行垃圾回收時會盡量減少用戶線程的停頓時間。CMS收集器適用于對響應時間要求較高的應用場景。
- G1收集器（Garbage-First）：G1收集器是一種面向服務端應用的垃圾回收器，它將堆內存劃分為多個區域（Region），并在進行垃圾回收時優先回收垃圾最多的區域。G1收集器適用于大內存、多核CPU的應用場景。
4. 類加載機制
類加載機制是JVM將類文件加載到內存并生成對應的Class對象的過程。類加載機制主要包括以下幾個階段：
4.1 加載（Loading）
加載階段是類加載機制的第一個階段，它負責將類的字節碼文件加載到內存中，并生成對應的Class對象。加載階段由類加載器完成。
4.2 驗證（Verification）
驗證階段是類加載機制的第二個階段，它負責驗證類的字節碼文件是否符合JVM規范。驗證階段包括文件格式驗證、元數據驗證、字節碼驗證和符號引用驗證。
4.3 準備（Preparation）
準備階段是類加載機制的第三個階段，它負責為類的靜態變量分配內存并設置初始值。準備階段不會執行任何Java代碼。
4.4 解析（Resolution）
解析階段是類加載機制的第四個階段，它負責將類中的符號引用轉換為直接引用。符號引用是指類、方法、字段等的名稱和描述符，直接引用是指這些符號引用在內存中的具體地址。
4.5 初始化（Initialization）
初始化階段是類加載機制的最后一個階段，它負責執行類的靜態初始化代碼（如靜態變量賦值、靜態代碼塊等）。初始化階段是類加載過程中唯一一個會執行Java代碼的階段。
5. 總結
JVM是Java平臺的核心組件之一，理解JVM的基礎知識對于Java開發者來說至關重要。本文詳細介紹了JVM的架構、內存模型、垃圾回收機制和類加載機制。通過掌握這些基礎知識，開發者可以更好地理解Java程序的運行機制，編寫高效的代碼，并在出現性能問題時進行診斷和優化。
