JVM與Java體系結構

Java不僅僅是一個簡單的編程語言，它是由一系列的軟件與規范組成的技術體系。而JVM是Java程序的運行核心，通過字節碼解釋執行實現"一次編寫，到處運行"特性，而Java體系結構由編程語言規范、類庫體系及JVM運行時環境共同構成，支撐跨平臺面向對象開發。可以說JVM是整個Java平臺的基石，是將Java技術隔絕操作系統與硬件的關鍵部分。

為什么要學習JVM

功利點說，現在找工作的門檻越來越高，JVM知識點經常出現在面試題目中，要想通過面試，我們也需要了解JVM。但是除去面試，程序開發中我們也會遇見：

1. 定位 OOM（內存溢出）：通過分析堆轉儲（Heap Dump）和 GC 日志，快速定位內存泄漏的根源。
2. 線程死鎖：利用 JVM 工具（如 jstack）分析線程狀態，解決多線程并發問題。
3. 性能瓶頸：通過 Profiling 工具（如 VisualVM、Arthas）監控 CPU、內存使用情況，找到性能熱點。
   這些都需要我們具備JVM的基礎知識，才能在生產中遇到類似問題迎刃而解。掌握了基礎知識，我們可以更好地做到下面幾點：

• 內存管理：理解 JVM 的內存結構（堆、棧、方法區等）能幫助你優化內存分配，避免內存泄漏和頻繁的垃圾回收（GC）。
• 垃圾回收機制：不同場景需要不同的 GC 算法（如 G1、ZGC、Shenandoah），學習 JVM 可以合理選擇并配置 GC，減少程序停頓時間。
• 代碼優化：通過 JIT 編譯器、逃逸分析等機制，理解 JVM 如何優化代碼執行，從而編寫更高效的代碼

Java與JVM簡介

Java 自 1995 年由 Sun Microsystems 發布以來，憑借其 跨平臺能力、面向對象特性 和 豐富的生態系統，迅速成為全球最流行的編程語言之一。而 Java 虛擬機（JVM）作為 Java 技術的核心引擎，通過“一次編寫，到處運行”（Write Once, Run Anywhere）的理念，徹底改變了軟件開發的模式。

下面這張圖是Java技術體系，從這張圖我們可以了解Java與Jvm的關系。應該從這張圖，我們可以形象地認識到JVM是Java語言的核心基石，所以我們要想學習好Java語言，一定要了解JVM。

Java 語言的核心特性

1. 跨平臺能力
   Java 的跨平臺性依賴于 JVM 的中間層設計。開發者編寫的 .java 文件會被編譯為與平臺無關的 字節碼（.class 文件），由 JVM 在目標平臺上解釋或編譯執行。

示例：同一份 Java 程序可在 Windows、Linux、macOS 上運行，無需修改源碼。

意義：降低多環境適配成本，推動企業級應用的快速部署。

2. 面向對象設計（OOP）
   Java 是純粹的面向對象語言，其核心思想通過 封裝、繼承、多態 實現：

   • 封裝：通過 private、protected 關鍵字隱藏實現細節，暴露安全接口。

   • 繼承：extends 實現代碼復用，implements 支持多接口擴展。

   • 多態：同一方法在不同子類中呈現不同行為（如 Animal 類的 sound() 方法被 Dog 和 Cat 重寫）。

3. 健壯性與安全性

   • 異常處理：強制檢查異常（Checked Exceptions）要求開發者顯式處理潛在錯誤（如 IOException）。

   • 內存管理：JVM 自動垃圾回收機制（GC）減少內存泄漏風險。

   • 安全沙箱：通過字節碼驗證和安全管理器（SecurityManager）限制惡意代碼訪問系統資源。

4. 現代語言特性演進
   Java 持續吸收現代編程范式的優點：

   • Java 8：引入 Lambda 表達式、Stream API，支持函數式編程。

   • Java 11：var 關鍵字簡化局部變量聲明，HTTP Client 支持異步請求。

   • Java 17：密封類（sealed class）限制繼承關系，模式匹配增強代碼可讀性。

JVM：Java 生態的基石

1. JVM 的核心作用
   JVM 是 Java 程序運行的虛擬化環境，主要職責包括：

• 字節碼解釋與執行：將 .class 文件轉換為機器指令。

• 內存管理：分配堆、棧、方法區等內存空間，并自動回收垃圾對象。

• 線程調度：管理多線程的創建、同步與資源競爭。

2. JVM 的運行時數據區
   JVM 內存劃分為多個核心區域：

• 堆（Heap）：存儲對象實例，是垃圾回收的主戰場。

• 方法區（Metaspace）：存放類元數據（Java 8 后替代永久代）。

• 虛擬機棧：存儲方法調用的棧幀（局部變量、操作數棧）。

• 程序計數器：記錄當前線程執行的字節碼位置。

• 本地方法棧：支持 Native 方法（如 C/C++ 庫調用）。

3. 類加載機制
   JVM 通過 雙親委派模型 加載類：

• 加載：從文件、網絡等來源讀取 .class 文件。

• 驗證：確保字節碼符合 JVM 規范，防止惡意代碼注入。

• 準備：為靜態變量分配內存并初始化默認值。

• 解析：將符號引用轉換為直接引用。

• 初始化：執行靜態代碼塊（static{}）和賦值操作。

示例：自定義類加載器可實現熱部署（如 Tomcat 為每個 Web 應用單獨加載類）。

4. 垃圾回收（GC）機制
   JVM 通過 GC 自動回收無用的對象，關鍵算法包括：

• 標記-清除：簡單但易產生內存碎片。

• 復制算法：將存活對象復制到新空間（適用于年輕代）。

• 標記-整理：整理內存碎片（適用于老年代）。

分代收集：根據對象生命周期劃分年輕代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

現代 GC 器：G1（低延遲）、ZGC（TB 級堆內存）、Shenandoah（并發回收）。

調優場景：高并發服務可通過 -XX:+UseG1GC 啟用 G1 垃圾回收器，減少停頓時間。

5. JIT 編譯器
   JVM 通過 即時編譯（Just-In-Time Compilation） 提升性能：

• 解釋執行：初期逐行解釋字節碼，啟動速度快。

• 熱點代碼優化：頻繁執行的代碼（熱點代碼）被編譯為本地機器碼。

• 逃逸分析：優化對象分配（如棧上分配、鎖消除）。

JVM的架構模型

Java編譯器輸入的指令流是一種基于棧的指令集架構，另外一種常見的指令集架構則是基于寄存器的指令集架構。計算機指令集架構（ISA）是硬件與軟件交互的核心接口，決定了程序如何被編譯和執行。基于棧的指令集架構（如 JVM 字節碼）和 基于寄存器的指令集架構（如 x86、ARM）是兩種經典的設計范式，它們在指令執行方式、性能特點和應用場景上存在顯著差異。

基于棧的指令集架構（Stack-Based）

1. 核心原理
   數據操作依賴棧結構：所有計算通過操作數棧（Operand Stack）完成。指令從棧頂取操作數：例如，加法指令 iadd 會彈出棧頂兩個整數，相加后結果壓回棧頂。無需顯式指定操作數地址：指令本身不包含寄存器或內存地址，隱含依賴棧頂數據。

2. 典型示例（JVM 字節碼）

	java// Java 代碼：計算 3 + 5int a = 3;int b = 5;int c = a + b;對應的字節碼：

字節碼

	iconst_3    // 將常量3壓入棧頂istore_1    // 彈出棧頂值（3），存入局部變量表第1槽位（a）iconst_5    // 將常量5壓入棧頂istore_2    // 彈出棧頂值（5），存入局部變量表第2槽位（b）iload_1     // 加載局部變量a的值（3）到棧頂iload_2     // 加載局部變量b的值（5）到棧頂iadd        // 彈出棧頂兩個值（3和5），相加后結果（8）壓入棧頂istore_3    // 彈出棧頂值（8），存入局部變量表第3槽位（c）

3. 優點

• 指令緊湊：無需指定操作數地址，指令長度短（如 JVM 字節碼通常為 1-2 字節）。

• 跨平臺友好：不依賴物理寄存器數量或布局，適合虛擬機實現（如 JVM）。

• 代碼生成簡單：編譯器無需處理寄存器分配，邏輯更簡單。

4. 缺點

• 執行速度較慢：頻繁的入棧、出棧操作導致內存訪問開銷大。

• 指令數量多：簡單操作可能需要多條指令（如加載變量到棧頂再計算）。

基于寄存器的指令集架構（Register-Based）

1. 核心原理
   數據操作依賴寄存器：指令直接讀寫寄存器中的操作數。

顯式指定操作數地址：指令需聲明操作數所在的寄存器或內存地址。

結果直接寫入寄存器：例如，加法指令 ADD R1, R2, R3 表示 R1 = R2 + R3。
2. 典型示例（ARM 匯編）

// 計算 3 + 5，結果存入寄存器 R0
MOV R1, #3     // 將立即數3存入寄存器R1
MOV R2, #5     // 將立即數5存入寄存器R2
ADD R0, R1, R2 // R0 = R1 + R2

3. 優點
   執行效率高：減少內存訪問次數，數據直接在寄存器中操作。

指令數量少：單條指令可完成復雜操作（如 ADD 直接操作三個寄存器）。

硬件優化潛力大：與現代 CPU 的多級流水線、亂序執行等特性契合。

4. 缺點
   指令長度較長：需編碼寄存器地址，指令占用空間更大。

依賴硬件寄存器數量：寄存器數量有限的架構（如 x86）可能需頻繁內存交互。

編譯器復雜度高：需優化寄存器分配策略（如避免寄存器溢出）。

JVM生命周期

JVM的生命周期分為三個狀態：啟動、執行和推出

1. 啟動： JVM可以通過java命令啟動，接著通過引導類加載器加載類文件，最后找到程序中的main方法，接著開始執行Java應用程序
2. 執行： JVM的執行，表示一個已經啟動的JVM開始執行Java程序，執行一個Java程序，真正執行的是一個JVM的進程。
3. 退出： JVM的退出有下面幾種情況

• Java程序正常結束，所有的非守護線程結束
• Java程序異常
• 操作系統故障
• 用戶手動關閉JVM
• 調用Runtime或者System的exit方法

總結

我們本章簡單介紹一下Java語言與JVM的結構，之后我們會在專欄文章中，逐步把我們上面介紹的知識點都覆蓋到，爭取能夠做到讓大家能夠對JVM的知識有一個宏觀的認識。