Java 虛擬機（JVM）不僅是 Java 程序運行的核心，也是提升代碼性能、排查問題和面試競爭力的重要技能。本文將從“為什么學習 JVM”到“JVM 內部結構”、“類加載機制”、“垃圾回收與調優”、“JIT 編譯和并發優化”等方面進行詳細解析，同時結合黑馬程序員的學習路線，為你構建一份理論與實戰并重的學習體系。

---

一、為什么要學習 JVM？

1. 面試必備與技能提升

• 面試考點：在大廠面試中，JVM 原理常作為高級開發者必考內容。掌握這些知識能讓你在面試中脫穎而出。
• 技能進階：深入理解 JVM 底層原理，能幫助你寫出更高效、更穩定的代碼，并提高系統整體性能。

2. 性能優化與問題診斷

• 調優實踐：了解內存管理、垃圾回收及 JIT 編譯等機制，可幫助你優化系統性能、減少 GC 停頓，提高吞吐量。citeturn0search9
• 故障排查：在面對內存泄漏、頻繁 GC 等問題時，熟悉 JVM 內部工作機制能讓你快速定位并解決問題。

3. 編寫高質量代碼

• 設計理念：掌握 JVM 的對象分配、內存回收、并發策略等原理，有助于你在系統設計時預估資源消耗、識別性能瓶頸。
• 系統性思考：構建完整的 JVM 知識體系，使你能從宏觀上把握整個 Java 運行時環境的運作流程。

---

二、JVM 基礎概念與體系結構

1. JVM 簡介

JVM（Java Virtual Machine）是一臺虛擬計算機，它負責加載、驗證、解釋和執行編譯后的字節碼，實現了“一次編寫，到處運行”。它屏蔽了平臺差異，為 Java 程序提供了統一的運行環境。

2. JDK、JRE 與 JVM

• JDK（Java Development Kit）：包含編譯工具、調試工具及 JRE，面向開發者。
• JRE（Java Runtime Environment）：包括 JVM 和 Java 核心類庫，用于運行 Java 應用。
• JVM：作為 JRE 的核心，負責字節碼的執行、內存管理、線程調度和安全檢查等。

---

三、JVM 內存模型

JVM 內存結構按照數據的生命周期和線程共享性大致分為兩類區域：

1. 線程私有區

• 程序計數器：記錄當前線程正在執行的字節碼位置，是線程運行的邏輯指針。
• 虛擬機棧：每個線程都有獨立的棧空間，方法調用時會創建對應的棧幀，存儲局部變量、操作數棧、動態鏈接等信息。
• 本地方法棧：用于執行 native 方法，與虛擬機棧類似，但專為本地代碼服務。

2. 線程共享區

• 堆：存儲所有對象實例，是垃圾回收的主要區域。JVM 會對堆進行分代管理（年輕代和老年代，JDK8 后永久代改為 Metaspace）。
• 方法區：存放類信息、常量、靜態變量等數據。JDK8 后，方法區的實現主要采用 Metaspace，存儲在本地內存中。

通過這樣的劃分，JVM 實現了高效的內存管理和線程隔離，為后續的垃圾回收與性能調優奠定了基礎。

---

四、類加載機制與雙親委派

1. 類加載過程

JVM 的類加載過程大致分為以下五個階段：

• 加載：根據全限定類名查找并讀取字節碼文件。
• 驗證：確保加載的字節碼符合 JVM 規范和安全要求。
• 準備：為類變量分配內存并設置初始默認值。
• 解析：將符號引用轉換為直接引用。
• 初始化：執行類構造器 <clinit>，為靜態變量賦予正確初值。

2. 雙親委派模型

為了確保 Java 核心類庫的統一和安全，JVM 的類加載器采用了雙親委派模型，即每個類加載器在加載類時，都會先委托給父加載器，只有在父加載器無法加載時才會由自己嘗試加載。

3. 動態加載與反射

JVM 支持在運行時動態加載類，這為反射機制提供了基礎。通過反射，可以在運行時判斷對象所屬類、創建對象實例以及調用方法，從而實現更靈活的框架設計與插件機制。

---

五、垃圾回收機制與調優策略

1. 分代收集思想

JVM 根據對象存活時間將堆內存劃分為年輕代和老年代（JDK8 前還有永久代，現為 Metaspace）。大部分對象生命周期較短，適合使用復制算法回收；而長期存活的對象則移入老年代，采用標記-整理或標記-清除等方法進行回收。

2. 常見垃圾回收算法

• 標記-清除：標記不可達對象后直接清除，簡單但可能產生內存碎片。
• 標記-復制：適用于年輕代，通過復制存活對象到另一塊區域實現回收，避免碎片但占用內存空間的一半。
• 標記-整理：在清除垃圾對象后，對存活對象進行整理壓縮，消除內存碎片，適用于老年代。

3. 主流垃圾收集器

• Serial GC：單線程收集，適用于小型或單核系統。
• Parallel GC：多線程回收，追求吞吐量，適用于多核系統。
• CMS GC：以減少停頓時間為目標，采用并發標記清除，但可能導致內存碎片。
• G1 GC：通過將堆劃分為多個區域，進行分區收集和預測性停頓控制，適用于大內存、高并發場景。
• ZGC：最新低延遲收集器，利用 Colored Pointer 和 Load Barrier 技術，最大限度降低 GC 停頓時間。

4. JVM 調優

調優包括設置堆內存大小（-Xms、-Xmx）、調整新生代與老年代比例、選擇合適的垃圾收集器以及配置 GC 日志參數。利用 jstat、jvisualvm、GCViewer 等工具，可以對 GC 行為進行監控和分析，從而制定出合理的調優策略。

---

六、JIT 編譯與代碼優化

1. JIT 編譯器

JIT（Just-In-Time）編譯器負責將熱點字節碼編譯成本地機器碼，從而大幅提升代碼執行效率。通過內聯、逃逸分析、鎖消除等優化策略，JVM 能夠減少解釋執行帶來的性能開銷。

2. 熱點代碼識別與優化

JVM 會根據代碼執行頻率動態識別熱點代碼，針對性進行編譯和優化。理解這些機制可以幫助你寫出更易于優化的代碼，提高整體性能。

---

七、Java 內存模型與并發優化

1. Java 內存模型（JMM）

JMM 定義了多線程程序中共享內存的交互規則，確保數據的可見性、原子性和有序性。通過掌握 JMM，你可以更好地理解 volatile、synchronized 以及其他并發控制機制，從而編寫線程安全的代碼。

2. 并發優化策略

• 鎖優化：采用偏向鎖、輕量級鎖等技術減少鎖競爭。
• 鎖消除與逃逸分析：在 JIT 編譯期間，通過優化鎖的使用降低同步開銷。
• 無鎖編程：利用 CAS（Compare And Swap）等原子操作實現高效并發。

博客：總是學不會.