走进底层 - JVM工作原理入门指南

走进底层 - JVM工作原理入门指南

Java 之所以能够实现“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 程序的运行环境，负责将 Java 字节码（.class 文件）转换成机器码并执行。

本文将从 JVM 的基本结构、内存管理、类加载机制 和 垃圾回收（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组成：

1. 类加载子系统
   • 负责加载 .class 文件到内存，并生成对应的 Class 对象。
2. 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）。
3. 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）。
4. 本地方法接口
   • 用于调用 C/C++ 编写的本地库。
     

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，方法区使用元空间（Metaspace）来实现，元空间并不在堆内存中，而是使用本地内存。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、基本数据类型常量等

(2) 堆

• 所有对象实例和数组都在堆上分配，是垃圾回收（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：存放长期存活的对象。
  • 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）组成，栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、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，包括基本数据类型和对象引用。操作数栈则用于方法执行过程中的运算操作

(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，它记录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定义的。由于 Java 是多线程的，每个线程都有自己独立的程序计数器，这样当线程切换时，就能够恢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。
  • 自定义 ClassLoader：用户可继承 ClassLoader 实现自己的加载逻辑。一般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，需要自定义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）
• 解析：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. 垃圾回收（GC）

JVM 自动管理内存，通过 垃圾回收器 回收不再使用的对象。

(1) 如何判断对象可回收？

• 引用计数法（Python 使用）：对象被引用时计数+1，为 0 时回收（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，标记所有可达对象，不可达的视为垃圾。

(2) 垃圾回收算法

• 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：

1. 解释执行：逐行解释字节码，执行速度较慢。
2. 即时编译（JIT）：将热点代码（HotSpot）编译成机器码，提高执行速度

总结

JVM 是 Java 生态的核心，理解其工作原理有助于优化代码、排查内存泄漏（OOM）和提升性能。