JVM介绍

JVM(Java虚拟机)是Java跨平台特性的核心。它是一个虚构的计算机，通过在实际计算机上模拟计算机功能来实现的。

JVM的作用

• 跨平台运行：Java源码编译为字节码后(.class文件)，jvm负责将字节码解释或编译为本地机器码执行。实现“一次编写，多处运行“。
• 内存管理：自动进行内存分配和垃圾回收，减少手动内存管理的错误。
• 安全控制：通过字节码验证器等机制确保代码安全执行。

核心组件

• 类加载器(ClassLoader)：负责将.class文件加载到JVM中，分为BootStrap ClassLoader(加载核心类库)、Extension ClassLoader(加载扩展类库)、ApplicationClassLoader(加载应用程序)。
• 运行时数据区：
  • 方法区：存储类信息，常量、静态变量(JDK8之后移至元空间Metaspace，使用本地内存)
  • 堆：存储对象实例，是垃圾回收的主要区域，线程共享。
  • 虚拟机栈：每个线程私有，存储方法调用的栈帧（包含局部变量表，操作数栈等）。
  • 本地方法栈：类似虚拟机栈，但为Native方法服务。
  • 程序计数器：记录当前线程执行的字节码指令地址，线程私有。
• 执行引擎：负责执行字节码，包括解释器(逐行解释执行)和即时编译（JIT，将热点代码编译为机器码缓存）。
• 垃圾回收器(GC)：自动回收堆中不再使用的对象内存。

垃圾回收GC

• 回收区域：主要针对堆内存（新生代和老年代）
• 判断对象存活：常用可达性分析算法，通过GC Roots(如虚拟机栈引用的对象，静态变量引用的对象等）判断对象是否可达。
• 垃圾收集算法：
  • 标记-清除：标记需要回收的对象，然后清除，会产生内存碎片。
  • 标记-复制：将内存分为两块，只使用一块，回收时将存活对象复制到另一块，适用于新生代。
  • 标记-整理：标记后将存活对象向一端移动，然后清除边界外内存，使用老年代。
• 常见收集器：Serial GC、ParelleGC、CMS(Concurrent Mark Sweep)、G1、ZGC、Shenandoah等，各有不同性能特点。

垃圾回收的核心目标

• 识别垃圾：判断哪些对象已经不再被程序使用(”死亡对象")。
• 回收内存：释放死亡对象占用的内存，供新对象使用。
• 高效执行：在不显著影响程序运行的前提下完成回收。(低延迟、高吞吐量)

判断对象“死亡”

JVM通过可达性分析算法判断对象是否存活。

1. GC Roots：作为根节点的对象（如虚拟机栈中引用的对象、静态变量引用的对象、常量池引用的对象、本地方法栈中引用的对象等）。
2. 可达性链条：从GC Roots出发，所有能被直接或间接引用的对象都是“存活”的，反之，无法到达的对象被标记为“死亡”。

垃圾回收算法

JVM根据**不同内存区域的特点(如对象存活时间)**采用不同的回收算法：

1. 标记-清除算法(Mark-Sweep)
   • 步骤：先标记所有死亡的对象，在统一清除这些对象。
   • 优点：简单直接。
   • 缺点：会产生大量内存碎片，可能导致后续 大对象 无法分配内存。
2. 标记-复制算法(Mark-Copy)
   • 将内存分为两块 (如Eden区 和 Survivor区)，只是用其中一块，回收时将存活对象复制到另一块，然后清空原内存块。
   • 优点：无内存碎片，实现简单。
   • 缺点：内存利用率低(仅利用一半)，适合对象存活率低的场景(如新生代)。
3. 标记-整理算法（Mark-Compact）
   • 步骤：标记死亡对象后，将所有存活对象向内存 一端移动，然后清除边界外的内存。
   • 优点：无内存碎片，内存利用率高。
   • 缺点：移动对象的成本高，适合对象存活率高的场景（如老年代）。

堆内存的分代 回收策略

JVM将堆内存划分为不同区域，针对各自区域特点采用不同的回收策略(分代思想)

1. 新生代(Young Generation)
   • 存储新创建的对象，对象存活率低（大部分很快死亡）
   • 分为Eden区和Survivor区 (From区和To区，大小通常1：1)
   • 回收流程：
     • 新对象优先分配大Eden区。
     • Eden区满时触发Mintor GC(新生代回收)，存活对象复制到From Survivor区。
     • 再次回收时，Eden区和From区的存活对象复制到To区，年龄+1。
     • 当对象年龄到达15岁时，晋升老年代
2. 老年代(Old Generation)
   • 存储存活时间长的对象(如缓存对象)，存活率高。
   • 次啊用标记-整理算法，回收频率低。
   • 当老年代内存不足时，触发Major GC/Full GC(全堆回收，包括新生代和老年代)，耗时较长
3. 元空间
   • 存储类信息、常量池等，替代JDK7的永久代(Perm Gen)。
   • 使用本地内存，默认无上限(可通过参数设置)。一般不参与垃圾回收

类加载机制

• 加载过程：加载（获取字节流） - 验证（确保字节码安全）- 准备（为静态变量分配内存并设置默认值） - 解释（将符号引用转为直接引用）-初始化（执行类构造器《clinit()方法）
• 双亲委派模型：加载类时，先委托父类加载器加载，父类无法加载时才由子类加载器尝试，避免类的重复加载和核心类篡改。

JVM调优

• 调优参数：通过JVM参数调整内存大小(如：-Xms、-Xmx），设置初始化堆大小，选择合适的垃圾收集器(如：XX：Use G1GC)，设置新生代和老年代比例等。
• 性能监控工具：jsp(查看进程)、jstat(统计信息)、jmap(内存映射)、jstack(线程堆栈)、Visual VM等。

hotSpot VM 介绍

核心工作原理：字节码执行和内存管理。通过 热点代码优化 和 分代垃圾回收 实现。

类加载：将字节码转为可执行的类对象。

HotSpot首先通过**类加载器(Class Loader)**完成类的加载，确保籽伽玛合规并转为 JVM可识别的结构。遵循 双亲委派模型。

1. 加载：从磁盘/网络中 加载 .class文件(字节码)，将其转为JVM内部的“类元数据”(存储在方法区/元空间)。
2. 验证：校验字节码合法性(格式、语法和安全权限)，防止恶意代码执行。
3. 准备：为类的静态变量分配内存并设置默认值，
4. 解析：将类中引用（如类名、方法名）转为直接引用(内存地址)。
5. 初始化：执行静态代码和静态变量的显式赋值，此时类可使用。

字节码执行：混合”解释执行“和“即时编译”

HotSpot不直接执行字节码，而是通过 ”解释器“+JIT及时编译” 混合模式，平衡 启动速度和运行性能。

• 第一步：解释执行(启动阶段)
• 第二步：热点代码探测和JIT编译(运行阶段)

内存管理：分代模型 + 多垃圾回收适配

HotSpot基于 “对象生命周期差异”设计分代内存模型，并适配不同的垃圾回收模型。核心逻辑：

• 内存分代划分（堆内存）：
  • 新生代：
  • 老年代：
  • 元空间：
• 垃圾回收触发：
  • 新生代满，触发Minor GC。
  • 老年代/元空间 满触发MajorGC/Full GC (回收老年代和新生代)，会导致程序停顿(STW)，需要通过G1/ZGC等回收器减少停顿时间。

线程与并发：轻量级同步机制

HotSpot通过对象头(Mark Word)和监视器(Monitor)实现Java并发同步，核心是锁优化以减少阻塞开销。

• 锁状态升级：