JVM 学习前置知识

JVM 学习前置知识

Java 开发环境层次结构解析

下图展示了 Java 开发环境的层级关系及其核心组件，从底层操作系统到上层开发工具，逐步构建完整的开发与运行环境：

1. 操作系统（Windows, MacOS, Linux, Solaris）

• 作用：为所有上层组件提供基础运行平台。
• 特点：Java 通过 JVM 实现跨平台能力，开发者无需针对不同操作系统单独编写代码。

2. JVM（Java Virtual Machine）

• 定位：位于操作系统之上，是 Java 跨平台能力的核心。
• 功能：
  • 解释执行字节码（.class 文件）。
  • 管理内存分配与垃圾回收。
  • 提供运行时环境（如线程管理、异常处理）。

3. JRE（Java Runtime Environment）

• 组成：JVM + 基础类库（如 java.lang, java.util）。
• 作用：为 Java 程序提供运行时环境，支持程序的执行。
• 适用场景：普通用户只需安装 JRE 即可运行已编译的 Java 程序。

4. JDK（Java Development Kit）

• 组成：JRE + 开发工具（如 javac 编译器、jar 打包工具、调试器）。
• 作用：开发者使用 JDK 编写、编译和调试 Java 代码。
• 核心工具：
  • javac：将 .java 文件编译为 .class 字节码。
  • java：启动 JVM 并运行程序。
  • jdb：调试工具。

5. 开发 JavaSE 程序

• 所需组件：JDK + IDE 工具（如 IntelliJ IDEA、Eclipse）。
• 用途：开发标准 Java 应用程序，如桌面应用、命令行工具等。
• 示例：使用 Swing 开发 GUI 应用，或编写简单的算法程序。

6. 开发 JavaEE 程序

• 所需组件：JDK + 应用服务器（如 Tomcat、WildFly） + IDE 工具。
• 用途：开发企业级分布式应用，支持 Web 服务、数据库交互等复杂场景。
• 核心技术：
  • Servlet/JSP：处理 HTTP 请求与响应。
  • EJB：实现业务逻辑组件。
  • JPA：数据库持久化操作。
• 应用服务器角色：提供容器管理、事务控制、安全性等企业级功能。

依赖关系总结

操作系统 
└── JVM 
    └── JRE（JVM + 基础类库） 
        └── JDK（JRE + 编译工具） 
            ├── JavaSE 开发（JDK + IDE） 
            └── JavaEE 开发（JDK + 应用服务器 + IDE）

引言

Java 虚拟机（JVM）是 Java 生态系统的核心组件，它使得 Java 能够实现“一次编写，到处运行”的特性。理解 JVM 的底层原理，不仅能帮助我们编写高性能的代码，还能有效解决实际开发中的疑难问题（如内存泄漏、性能瓶颈等）。

什么是 JVM？

定义：

Java Virtual Machine - java 程序的运行环境（java 二进制字节码的运行环境）

JVM 核心组件

1. 类加载器（ClassLoader）：加载 .class 文件到内存。
2. 运行时数据区：包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。
3. 执行引擎：解释或编译执行字节码。
4. 垃圾回收器（GC）：自动回收不再使用的对象。

JVM的好处

1. ​ 一次编写，到处运行
2. ​ 自动内存管理，垃圾回收功能
3. ​ 数组下标越界检查
4. ​ 多态

学习 JVM 有什么用？

1. 性能调优
   • 通过调整堆内存大小（-Xms, -Xmx）或选择垃圾回收器（如 G1、ZGC）优化应用性能。
2. 排查问题
   • 分析内存溢出（OOM）、死锁等问题（工具：jstack, jmap, VisualVM）。
3. 深入理解 Java 特性
   • 理解多线程（线程栈模型）、异常处理（异常表）等底层机制。
4. 面试高频考点
   • JVM 内存模型、垃圾回收算法、类加载机制等是 Java 后端面试的常见问题。

常见的 JVM 实现

学习路线

1. 基础概念

• 书籍：《深入理解 Java 虚拟机》（周志明）
• 重点：JVM 内存结构、垃圾回收算法、类加载过程。

2. 工具实践

• 监控工具：jconsole, VisualVM, Arthas。
• 内存分析：使用 MAT（Memory Analyzer Tool） 分析堆转储文件。

3. 调优实战

• 参数调优：堆大小、新生代/老年代比例（-XX:NewRatio）、选择 GC 算法。
• 案例：解决 Full GC 频繁、Young GC 时间过长等问题。

4. 进阶学习

• 源码研究：HotSpot 源码（如垃圾回收器实现）。
• 新技术：学习 ZGC、Shenandoah 等低延迟 GC 的原理。