讲透 JVM(Java Virtual Machine)_讲透中药·张景明
今天，我们讲透 JVM（Java Virtual Machine），从 体系结构、核心组件、内存模型、类加载机制、执行引擎、垃圾回收、调优和常见问题 这些方面系统展开。内容会比较全，你可以当作一个 JVM 体系速成+深度指南。
一、JVM 的本质
- 虚拟机：一种抽象的计算机，屏蔽硬件和操作系统差异，让 Java 程序“一次编译，到处运行”。
- 核心目标：
- 跨平台
- 内存管理（自动 GC）
- 安全沙箱（类加载隔离、字节码校验）
- 高性能（JIT、逃逸分析、分层编译）
二、JVM 架构
JVM 可以分为四大模块：
- 类加载子系统（Class Loader Subsystem）
- 负责加载 .class 字节码文件到内存
- 双亲委派模型：
- Bootstrap ClassLoader（加载 rt.jar 等核心类）
- Extension ClassLoader（加载扩展库 jre/lib/ext）
- Application ClassLoader（加载应用类路径下的类）
- 自定义 ClassLoader
- 特点：避免核心类被篡改（比如你写个假的 java.lang.String 也不会生效）。
- 运行时数据区（Runtime Data Area）
JVM 的内存模型，核心： - 线程私有
- 程序计数器（Program Counter）
- Java 虚拟机栈（栈帧：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口）
- 本地方法栈（执行 native 方法用）
- 线程共享
- 堆（Heap）：存放对象实例，GC 管辖重点
- 方法区（Method Area / 元空间 Metaspace）：类元信息（类加载后的结构）、运行时常量池、静态变量
- 运行时常量池：字符串常量池、符号引用
- 执行引擎（Execution Engine）
- 解释器（Interpreter）：逐条解释执行字节码，启动快但慢
- JIT（Just-In-Time 编译器）：热点代码编译成本地机器码，执行快
- 分层编译（Tiered Compilation）：解释 + C1（客户端编译）+ C2（服务端编译）协作
- 本地接口（Native Interface）
- 与操作系统交互，如文件 I/O、网络、JNI。
三、JVM 内存模型（JMM）
JMM 是 线程间通信的抽象模型，规定了 主内存（堆内存） 与 工作内存（线程栈内存） 的交互规则。
关键点：
- 线程读写变量 → 必须通过主内存交互
- 指令重排、内存可见性 → 需要 volatile、synchronized、final、原子类 来保证
- happens-before 原则：
- 程序顺序规则
- 锁规则
- volatile 规则
- 线程启动/终止规则
四、垃圾回收（GC）
1. 对象生命周期
- 存活判定：
- 引用计数法（简单但不能解决循环引用）
- 可达性分析（主流方法，从 GC Roots 出发追踪可达对象）
2. 分代收集理论
- 新生代（Young Gen）：Eden + Survivor
- Minor GC：频繁、快
- 老年代（Old Gen）：存放长期存活对象
- Major GC / Full GC：慢、STW（Stop the World）
- 元空间（Metaspace）：存放类元信息
3. 常见 GC 算法
- 复制算法（Copying） → 新生代
- 标记-清除（Mark-Sweep） → 老年代
- 标记-整理（Mark-Compact） → 老年代
4. 常见 GC 垃圾收集器
- Serial / Serial Old：单线程，简单，适合小内存
- Parallel / Parallel Old：多线程，吞吐量优先
- CMS（Concurrent Mark-Sweep）：并发，低延迟，但有碎片化
- G1（Garbage First）：分区化，预测停顿时间，主流
- ZGC、Shenandoah：超低延迟 GC（亚毫秒级停顿），大内存场景
五、类加载机制
- 生命周期：加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸载
- 懒加载：只有在首次使用类时才会触发加载
- 反射/动态代理：依赖运行时类加载
六、调优与监控
常见 JVM 参数
- 堆大小：-Xms -Xmx
- 新生代/老年代比例：-XX:NewRatio
- Survivor 比例：-XX:SurvivorRatio
- GC 类型：-XX:+UseG1GC 等
- 元空间：-XX:MetaspaceSize
常用工具
- jps / jstat / jmap / jstack
- VisualVM
- Arthas
- GC 日志：-XX:+PrintGCDetails -Xlog:gc*
七、常见问题
- OOM（OutOfMemoryError）分类
- Java heap space
- Metaspace
- GC overhead limit exceeded
- Direct buffer memory
- Unable to create new native thread
- 频繁 Full GC
- 内存泄漏
- 元空间过小
- 大量对象进入老年代
- 性能瓶颈
- GC 停顿长
- 锁竞争
- 内存抖动（频繁对象创建销毁）
八、总结
JVM 就是一个 运行时环境 + 内存管理 + 执行优化引擎，关键要点：
- 内存结构（堆/栈/方法区/PC）
- 执行模型（解释 + JIT + 分层编译）
- 类加载机制（双亲委派）
- 垃圾回收（分代、收集器选择）
- 调优方法（参数、监控工具）
建议你：
- 先用 jvisualvm / arthas 观察项目运行时的堆、线程、GC 行为
- 再通过调参数，比如换不同的 GC 收集器，看性能差异
- 最后结合 JMM 和并发包源码，理解线程安全和内存语义