一、JVM 基础概念
- 虚拟机可分为两类
- 一类是系统虚拟机，用于模拟计算机系统，常见的软件有 Virtual Box、VMware 等。它们能创建虚拟的计算机系统，就如同在我们的计算机中又安装了一台计算机
- 另一类是程序虚拟机，例如 JVM，它是为程序运行而设计的
- JVM 运行在操作系统之上，运行时操作系统会为其分配内存空间。JVM 会对分配到的内存空间进行划分，包括虚拟机栈（即线程栈）、堆、本地方法栈、元空间（JDK 8 及以后 HotSpot 虚拟机对方法区的实现）、程序计数器以及直接内存
二、Java 语言特性
- Java “一次编译，到处运行” 的特性可以这样理解：Java 程序在运行于 JVM 之前，会通过前端编译器 javac 编译成字节码文件（即 .class 文件）。不同的操作系统需要安装与之适配的 JVM，例如在 Windows 操作系统上需安装支持 Windows 的 JVM，在 Linux 操作系统上则要安装支持 Linux 的 JVM。只要是符合规范的 JVM，都能够运行遵循 Java 字节码规范的 .class 文件
- JVM 会采用不同的方式将字节码文件转化为对应操作系统的 CPU 能够理解的机器指令来执行。它既可以通过解释器逐行解释执行字节码，也可以利用即时编译器（JIT）将字节码编译成机器码后再执行。例如在 Windows 操作系统上，最终生成的是能被 Windows 环境下 CPU 理解和执行的机器指令；在 Linux 操作系统上，则生成可被 Linux 环境下 CPU 识别的机器指令。这样，同一套 Java 字节码文件就能在不同操作系统上借助对应的 JVM 实现跨平台运行
三、JVM 整体结构
- 虚拟机栈（线程栈）：
- 每个 Java 程序至少会有一个主线程。JVM 会为每个线程都开辟一个独立的栈，栈的基本单位是栈帧，每个线程里的方法调用会对应一个栈帧。线程过多会导致栈空间不足从而溢出；单个线程里方法调用层次过深（即方法嵌套调用过多）会导致栈溢出，如常见的无限递归调用
- 栈帧主要划分为操作数栈、局部变量表、动态链接和方法返回地址等部分。局部变量表用于存储方法中的局部变量及其对应的值；操作数栈根据字节码指令从局部变量表中取值进行运算等操作
- 程序计数器：程序计数器用于记录线程当前执行的字节码指令的地址，也就是记录线程运行的位置。当 CPU 发生线程切换时，下次轮到该线程运行时，就能依据程序计数器的值知道从哪里继续执行。程序计数器是每个线程独有的，并且独立于虚拟机栈
- 堆空间：堆空间用于存放对象实例和数组，是所有线程共享的内存区域。堆通常分为新生代和老年代，新生代又可细分为 Eden 区、Survivor 0 区和 Survivor 1 区。对象一般首先在 Eden 区分配，经过多次垃圾回收后仍存活的对象会进入老年代
- 本地方法栈：本地方法栈为使用本地方法（通常是用 C 或 C++ 编写的方法）服务，因为 Java 程序的一些底层 API 是用这些语言实现的。在早期 JVM 中，本地方法栈和虚拟机栈是分开的，但随着 JVM 的发展，有些 JVM 实现（如 HotSpot）将本地方法栈和虚拟机栈进行了融合，本地方法的栈帧也在虚拟机栈中运行
- 元空间：元空间是 JDK 8 及以后版本中对方法区的实现。它不占用 JVM 的堆内存空间，而是直接使用操作系统的本地内存，不过会受到 JVM 参数的管理和限制。元空间主要存储类的元数据信息，包括类信息、运行时常量池等
- 类信息：存储字节码文件中关于类的定义、类的属性定义、类的方法定义以及类的方法的字节码等内容
- 运行时常量池：它是字节码文件中常量池的运行时表示，会将字节码文件中的常量池部分加载进来，并且在程序运行过程中还能动态生成常量
- 静态变量：存储类的静态变量，不过在 JDK 7 及以后，静态变量从方法区移到了堆中
- 直接内存：直接内存并不属于 JVM 运行时数据区的一部分，它不占用 JVM 的堆内存空间，而是使用操作系统的本地内存。直接内存不受 JVM 的垃圾回收机制管理，但可以通过 Java 的 NIO（New Input/Output）相关类（如 ByteBuffer）来控制和使用。使用直接内存可以提升 IO 操作的速度，因为传统的 IO 操作需要将数据在用户空间和内核空间之间多次拷贝，而直接内存可以直接在操作系统的内存中进行操作，减少了数据拷贝的次数
四、Java 代码执行流程
- 源码编写：开发者依据 Java 语言的语法规则编写 Java 源文件，文件扩展名为.java。在这个源文件中，包含类、方法、变量等各种 Java 程序元素，它们共同构成了程序的逻辑和功能
- 词法分析：Java 编译器启动后，首先进行词法分析。它就像一个 “单词识别器”，将 Java 源文件的字符流按照词法规则切分成一个个的 “单词”，也就是词法单元（Token），比如关键字（如public、class ）、标识符（变量名、类名等）、运算符（+、- ）、界符（{、} ）等。在这个过程中，编译器会识别源文件中的代码片段，把它们分类为不同类型的词法单元，为后续的语法分析做准备
- 语法分析：基于词法分析生成的词法单元，语法分析器开始工作。它依据 Java 语言的语法规则，对词法单元进行组合和检查，构建出抽象语法树（AST）。抽象语法树以树状结构表示程序的语法结构，清晰地展示出代码的层次和逻辑关系。例如，它能明确地表示出类的定义包含哪些成员变量和方法，方法内部又包含哪些语句等。如果源文件的语法存在错误，语法分析阶段就会抛出相应的语法错误信息
- 语义分析：语义分析是对抽象语法树进行进一步的检查和处理。这一阶段会验证程序的语义是否正确，包括检查变量是否被正确声明和使用、方法调用是否匹配、数据类型是否兼容等。比如，如果代码中试图将一个字符串和一个整数进行相加操作，语义分析就会检测到这种类型不匹配的错误。此外，语义分析还会进行符号表的填充，符号表用于记录程序中定义的各类符号（如变量、函数等）的相关信息，包括名称、类型、作用域等，以便后续的代码生成和编译过程使用
- 生成字节码文件：经过词法分析、语法分析和语义分析，且都没有发现错误后，Java 编译器会将源文件编译成字节码文件，文件扩展名为.class。字节码是一种与平台无关的中间代码，它包含了 Java 虚拟机指令集（即字节码指令）、符号表以及其他辅助信息。字节码文件中的指令并非针对特定的硬件平台，而是设计为能在任何安装了 Java 虚拟机的系统上运行，这也是 Java 语言 “一次编写，到处运行” 特性的关键所在
- 类加载器加载：生成的字节码文件需要被加载到 Java 虚拟机（JVM）中才能执行。JVM 的类加载器负责完成这一任务。类加载器会根据类的全限定名（包括包名和类名）查找并加载对应的字节码文件。类加载过程分为加载、链接（验证、准备、解析）和初始化三个阶段。在加载阶段，类加载器会通过一定的方式获取字节码文件的二进制数据；链接阶段会对字节码进行验证（确保字节码符合 JVM 规范且没有安全问题）、准备（为类的静态变量分配内存并设置初始值）和解析（将符号引用转换为直接引用）；初始化阶段则会执行类的静态代码块和对静态变量的赋值操作
- 字节码校验器校验：字节码被加载到 JVM 后，会经过字节码校验器的校验。字节码校验器会检查字节码是否符合 JVM 的规范，确保字节码的安全性和正确性。它会验证字节码指令的格式是否正确、类型是否匹配、操作是否合法等。如果字节码存在问题，比如试图访问越界的内存、违反访问权限等，字节码校验器会阻止其执行，从而保证 JVM 的安全稳定运行
- 解释器解析执行或 JIT 编译器编译执行：经过校验的字节码可以通过两种方式执行
- 解释器解析执行：解释器会逐行读取字节码指令，并将其翻译成对应平台的机器码指令然后执行。这种方式的优点是启动速度快，因为不需要额外的编译时间；缺点是执行效率相对较低，每次执行相同的字节码都需要重新解释
- JIT 编译器编译执行：即时编译器（JIT）会在运行时将频繁执行的字节码（热点代码）编译成机器码。JIT 编译器通过分析程序的运行情况，找出热点代码，然后将其编译成本地机器码并缓存起来。后续再次执行这些代码时，直接执行编译后的机器码，大大提高了执行效率。JVM 会根据程序的运行情况，动态地选择是使用解释器还是 JIT 编译器来执行字节码，以平衡启动速度和执行效率
- 在操作系统上运行：无论是通过解释器解析执行还是 JIT 编译器编译执行，最终的目标都是在操作系统上运行 Java 程序。JVM 作为 Java 程序和操作系统之间的桥梁，负责将 Java 程序的字节码指令转化为操作系统能够理解和执行的指令。JVM 通过与操作系统进行交互，如申请内存、进行文件操作、网络通信等，实现 Java 程序在不同操作系统平台上的运行，而开发者无需关心底层操作系统的差异，只需专注于 Java 程序的开发
五、JVM的生命周期
（1）启动阶段
JVM 的启动是通过引导类加载器（Bootstrap Class Loader）创建初始类来完成的。这一过程可细分为以下几个关键步骤：
- 加载启动类：引导类加载器是 JVM 中最顶层的类加载器，通常由本地代码（如 C 或 C++）实现。当启动 JVM 时，它会负责加载 Java 的核心类库，这些类库位于$JAVA_HOME/jre/lib目录下，像java.lang、java.util等基础包中的类。例如，java.lang.Object类就是由引导类加载器加载的
- 创建初始类：引导类加载器会加载并初始化 Java 虚拟机的初始类，其中最关键的是sun.misc.Launcher类。该类负责创建扩展类加载器（Extension Class Loader）和应用程序类加载器（Application Class Loader），并设置好类加载的层次结构
- 执行主类：一旦类加载器体系构建完成，JVM 会定位到包含main方法的主类，并调用该主类的main方法，从而启动 Java 程序的执行。例如，当你运行java HelloWorld命令时，JVM 会找到HelloWorld类并调用其main方法
（2）运行阶段
在启动完成后，JVM 进入运行阶段，此时它以进程的形式存在于操作系统中。运行阶段的主要特点如下：
- 执行 Java 程序：JVM 会按照字节码指令的顺序执行 Java 程序。在执行过程中，它会进行类加载、字节码校验、解释执行或即时编译（JIT）等操作。例如，当程序调用一个新的类时，JVM 会使用相应的类加载器加载该类，并对其字节码进行校验，确保安全性和正确性
- 管理内存：JVM 负责管理 Java 程序的内存，包括堆内存、栈内存、方法区等。它会自动进行垃圾回收（GC），回收不再使用的对象所占用的内存，以保证内存的有效利用。例如，当一个对象不再被引用时，垃圾回收器会在合适的时机将其回收
- 线程调度：JVM 会管理 Java 程序中的线程。它会根据线程的优先级和状态进行调度，确保各个线程能够合理地使用 CPU 资源。例如，高优先级的线程会优先获得 CPU 时间片
（3）退出阶段
JVM 的退出情况有多种，下面分别介绍：
- 程序正常结束：当 Java 程序中的所有非守护线程执行完毕，或者main方法正常返回时，JVM 会正常退出。例如，一个简单的 Java 程序，在main方法中完成所有任务后，程序会自然结束，JVM 也随之退出
- 异常终止：如果 Java 程序在运行过程中抛出未捕获的异常，且该异常导致程序无法继续执行，JVM 会异常终止。例如，当程序访问一个空对象的方法时，会抛出NullPointerException，如果没有对该异常进行捕获和处理，JVM 可能会终止运行
- 操作系统错误：当操作系统出现严重错误，如内存不足、硬件故障等，可能会导致 JVM 无法继续运行，从而退出。例如，当系统内存耗尽时，JVM 可能会因为无法分配足够的内存而终止
- 调用特定方法：在 Java 程序中，可以调用System.exit(int status)方法来主动终止 JVM。其中，参数status为 0 表示正常退出，非 0 表示异常退出。例如，System.exit(0)会使 JVM 正常退出
- JNI Invocation API 控制退出：JNI（Java Native Interface）允许 Java 代码与本地代码进行交互。通过 JNI Invocation API，本地代码可以控制 JVM 的启动和退出。本地代码可以调用相关的 JNI 函数来销毁 JVM 实例，从而实现 JVM 的退出。例如，在一些混合编程的场景中，本地代码可以在合适的时机调用 JNI 函数来关闭 JVM
