Java虚拟机 - JVM与Java体系结构

JVM与Java体系结构

Java不仅仅是一个简单的编程语言，它是由一系列的软件与规范组成的技术体系。而JVM是Java程序的运行核心，通过字节码解释执行实现"一次编写，到处运行"特性，而Java体系结构由编程语言规范、类库体系及JVM运行时环境共同构成，支撑跨平台面向对象开发。可以说JVM是整个Java平台的基石，是将Java技术隔绝操作系统与硬件的关键部分。

为什么要学习JVM

功利点说，现在找工作的门槛越来越高，JVM知识点经常出现在面试题目中，要想通过面试，我们也需要了解JVM。但是除去面试，程序开发中我们也会遇见：

1. 定位 OOM（内存溢出）：通过分析堆转储（Heap Dump）和 GC 日志，快速定位内存泄漏的根源。
2. 线程死锁：利用 JVM 工具（如 jstack）分析线程状态，解决多线程并发问题。
3. 性能瓶颈：通过 Profiling 工具（如 VisualVM、Arthas）监控 CPU、内存使用情况，找到性能热点。
   这些都需要我们具备JVM的基础知识，才能在生产中遇到类似问题迎刃而解。掌握了基础知识，我们可以更好地做到下面几点：

• 内存管理：理解 JVM 的内存结构（堆、栈、方法区等）能帮助你优化内存分配，避免内存泄漏和频繁的垃圾回收（GC）。
• 垃圾回收机制：不同场景需要不同的 GC 算法（如 G1、ZGC、Shenandoah），学习 JVM 可以合理选择并配置 GC，减少程序停顿时间。
• 代码优化：通过 JIT 编译器、逃逸分析等机制，理解 JVM 如何优化代码执行，从而编写更高效的代码

Java与JVM简介

Java 自 1995 年由 Sun Microsystems 发布以来，凭借其 跨平台能力、面向对象特性 和 丰富的生态系统，迅速成为全球最流行的编程语言之一。而 Java 虚拟机（JVM）作为 Java 技术的核心引擎，通过“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere）的理念，彻底改变了软件开发的模式。

下面这张图是Java技术体系，从这张图我们可以了解Java与Jvm的关系。应该从这张图，我们可以形象地认识到JVM是Java语言的核心基石，所以我们要想学习好Java语言，一定要了解JVM。

Java 语言的核心特性

1. 跨平台能力
   Java 的跨平台性依赖于 JVM 的中间层设计。开发者编写的 .java 文件会被编译为与平台无关的 字节码（.class 文件），由 JVM 在目标平台上解释或编译执行。

示例：同一份 Java 程序可在 Windows、Linux、macOS 上运行，无需修改源码。

意义：降低多环境适配成本，推动企业级应用的快速部署。

2. 面向对象设计（OOP）
   Java 是纯粹的面向对象语言，其核心思想通过 封装、继承、多态 实现：

   • 封装：通过 private、protected 关键字隐藏实现细节，暴露安全接口。

   • 继承：extends 实现代码复用，implements 支持多接口扩展。

   • 多态：同一方法在不同子类中呈现不同行为（如 Animal 类的 sound() 方法被 Dog 和 Cat 重写）。

3. 健壮性与安全性

   • 异常处理：强制检查异常（Checked Exceptions）要求开发者显式处理潜在错误（如 IOException）。

   • 内存管理：JVM 自动垃圾回收机制（GC）减少内存泄漏风险。

   • 安全沙箱：通过字节码验证和安全管理器（SecurityManager）限制恶意代码访问系统资源。

4. 现代语言特性演进
   Java 持续吸收现代编程范式的优点：

   • Java 8：引入 Lambda 表达式、Stream API，支持函数式编程。

   • Java 11：var 关键字简化局部变量声明，HTTP Client 支持异步请求。

   • Java 17：密封类（sealed class）限制继承关系，模式匹配增强代码可读性。

JVM：Java 生态的基石

1. JVM 的核心作用
   JVM 是 Java 程序运行的虚拟化环境，主要职责包括：

• 字节码解释与执行：将 .class 文件转换为机器指令。

• 内存管理：分配堆、栈、方法区等内存空间，并自动回收垃圾对象。

• 线程调度：管理多线程的创建、同步与资源竞争。

2. JVM 的运行时数据区
   JVM 内存划分为多个核心区域：

• 堆（Heap）：存储对象实例，是垃圾回收的主战场。

• 方法区（Metaspace）：存放类元数据（Java 8 后替代永久代）。

• 虚拟机栈：存储方法调用的栈帧（局部变量、操作数栈）。

• 程序计数器：记录当前线程执行的字节码位置。

• 本地方法栈：支持 Native 方法（如 C/C++ 库调用）。

3. 类加载机制
   JVM 通过 双亲委派模型 加载类：

• 加载：从文件、网络等来源读取 .class 文件。

• 验证：确保字节码符合 JVM 规范，防止恶意代码注入。

• 准备：为静态变量分配内存并初始化默认值。

• 解析：将符号引用转换为直接引用。

• 初始化：执行静态代码块（static{}）和赋值操作。

示例：自定义类加载器可实现热部署（如 Tomcat 为每个 Web 应用单独加载类）。

4. 垃圾回收（GC）机制
   JVM 通过 GC 自动回收无用的对象，关键算法包括：

• 标记-清除：简单但易产生内存碎片。

• 复制算法：将存活对象复制到新空间（适用于年轻代）。

• 标记-整理：整理内存碎片（适用于老年代）。

分代收集：根据对象生命周期划分年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

现代 GC 器：G1（低延迟）、ZGC（TB 级堆内存）、Shenandoah（并发回收）。

调优场景：高并发服务可通过 -XX:+UseG1GC 启用 G1 垃圾回收器，减少停顿时间。

5. JIT 编译器
   JVM 通过 即时编译（Just-In-Time Compilation） 提升性能：

• 解释执行：初期逐行解释字节码，启动速度快。

• 热点代码优化：频繁执行的代码（热点代码）被编译为本地机器码。

• 逃逸分析：优化对象分配（如栈上分配、锁消除）。

JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流是一种基于栈的指令集架构，另外一种常见的指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。计算机指令集架构（ISA）是硬件与软件交互的核心接口，决定了程序如何被编译和执行。基于栈的指令集架构（如 JVM 字节码）和 基于寄存器的指令集架构（如 x86、ARM）是两种经典的设计范式，它们在指令执行方式、性能特点和应用场景上存在显著差异。

基于栈的指令集架构（Stack-Based）

1. 核心原理
   数据操作依赖栈结构：所有计算通过操作数栈（Operand Stack）完成。指令从栈顶取操作数：例如，加法指令 iadd 会弹出栈顶两个整数，相加后结果压回栈顶。无需显式指定操作数地址：指令本身不包含寄存器或内存地址，隐含依赖栈顶数据。

2. 典型示例（JVM 字节码）

	java// Java 代码：计算 3 + 5int a = 3;int b = 5;int c = a + b;对应的字节码：

字节码

	iconst_3    // 将常量3压入栈顶istore_1    // 弹出栈顶值（3），存入局部变量表第1槽位（a）iconst_5    // 将常量5压入栈顶istore_2    // 弹出栈顶值（5），存入局部变量表第2槽位（b）iload_1     // 加载局部变量a的值（3）到栈顶iload_2     // 加载局部变量b的值（5）到栈顶iadd        // 弹出栈顶两个值（3和5），相加后结果（8）压入栈顶istore_3    // 弹出栈顶值（8），存入局部变量表第3槽位（c）

3. 优点

• 指令紧凑：无需指定操作数地址，指令长度短（如 JVM 字节码通常为 1-2 字节）。

• 跨平台友好：不依赖物理寄存器数量或布局，适合虚拟机实现（如 JVM）。

• 代码生成简单：编译器无需处理寄存器分配，逻辑更简单。

4. 缺点

• 执行速度较慢：频繁的入栈、出栈操作导致内存访问开销大。

• 指令数量多：简单操作可能需要多条指令（如加载变量到栈顶再计算）。

基于寄存器的指令集架构（Register-Based）

1. 核心原理
   数据操作依赖寄存器：指令直接读写寄存器中的操作数。

显式指定操作数地址：指令需声明操作数所在的寄存器或内存地址。

结果直接写入寄存器：例如，加法指令 ADD R1, R2, R3 表示 R1 = R2 + R3。
2. 典型示例（ARM 汇编）

// 计算 3 + 5，结果存入寄存器 R0
MOV R1, #3     // 将立即数3存入寄存器R1
MOV R2, #5     // 将立即数5存入寄存器R2
ADD R0, R1, R2 // R0 = R1 + R2

3. 优点
   执行效率高：减少内存访问次数，数据直接在寄存器中操作。

指令数量少：单条指令可完成复杂操作（如 ADD 直接操作三个寄存器）。

硬件优化潜力大：与现代 CPU 的多级流水线、乱序执行等特性契合。

4. 缺点
   指令长度较长：需编码寄存器地址，指令占用空间更大。

依赖硬件寄存器数量：寄存器数量有限的架构（如 x86）可能需频繁内存交互。

编译器复杂度高：需优化寄存器分配策略（如避免寄存器溢出）。

JVM生命周期

JVM的生命周期分为三个状态：启动、执行和推出

1. 启动： JVM可以通过java命令启动，接着通过引导类加载器加载类文件，最后找到程序中的main方法，接着开始执行Java应用程序
2. 执行： JVM的执行，表示一个已经启动的JVM开始执行Java程序，执行一个Java程序，真正执行的是一个JVM的进程。
3. 退出： JVM的退出有下面几种情况

• Java程序正常结束，所有的非守护线程结束
• Java程序异常
• 操作系统故障
• 用户手动关闭JVM
• 调用Runtime或者System的exit方法

总结

我们本章简单介绍一下Java语言与JVM的结构，之后我们会在专栏文章中，逐步把我们上面介绍的知识点都覆盖到，争取能够做到让大家能够对JVM的知识有一个宏观的认识。