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Java高手的30k之路｜面试宝典｜精通JVM（二）

news 2025/7/8 16:08:33

JVM基本结构

类加载子系统：负责将.class文件加载到内存中，并进行验证、准备、解析和初始化。
运行时数据区：包括堆（Heap）、方法区（Method Area）、Java栈（Java Stack）、本地方法栈（Native Method Stack）和程序计数器（Program Counter Register）。
执行引擎：包括解释器（Interpreter）、即时编译器（JIT Compiler）和垃圾收集器（Garbage Collector）。
本地接口：JNI（Java Native Interface）和本地库接口。

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上图展示了JVM的基本结构，各组件的布局和相对位置如下：

Class Loader Subsystem（类加载子系统）：负责将字节码文件加载到内存中。
Execution Engine（执行引擎）：包括解释器、即时编译器和垃圾收集器，负责执行字节码。
Heap（堆）：用于存储对象实例和数组，由垃圾收集器管理。
Method Area（方法区）：存储已加载的类信息、常量池、静态变量和JIT编译后的代码。
Java Stack（Java栈）：每个线程都有自己的Java栈，用于存储局部变量、操作数栈、帧数据等。
Native Method Stack（本地方法栈）：用于本地方法的执行。
Program Counter Register（程序计数器）：记录当前线程所执行的字节码的地址。
JNI（本地接口）：Java Native Interface，用于Java与本地代码的交互。

执行引擎

解释器和即时编译器（JIT Compiler）是JVM中执行引擎的重要组成部分，它们的主要职能如下：

解释器（Interpreter）

解释器的主要职能是逐行解释字节码并执行。具体来说：

逐行解释执行：解释器将Java字节码逐行解释为机器指令并执行。这种方式的优点是启动快，能够快速响应并执行代码，尤其是对小型或简单程序而言。
执行慢：由于解释器需要逐行解释字节码，每次执行都要进行解释，因而执行速度较慢。对于频繁执行的代码段，这种开销会变得很明显。
主要用途：解释器在程序启动阶段发挥重要作用，使程序能迅速启动并开始执行。在此过程中，它还可以收集程序的运行数据，帮助JIT编译器进行优化。

即时编译器（JIT Compiler）

JIT编译器的主要职能是将热点代码（经常执行的代码）编译成本地机器码，从而提高执行效率。具体来说：

热点代码编译：JIT编译器通过监控程序的运行，识别出频繁执行的代码段（热点代码），并将这些代码编译成机器码，以便直接在CPU上执行。这样可以显著提高执行速度。
优化代码：JIT编译器在编译过程中可以进行多种优化，如方法内联（将频繁调用的小方法直接嵌入到调用点）、逃逸分析（确定对象是否可以分配在栈上而不是堆上）、循环展开和消除冗余代码等。通过这些优化，编译后的机器码性能更高。
混合模式执行：JVM采用解释器和JIT编译器相结合的混合模式。程序启动时，解释器迅速执行代码并收集运行数据。随着程序的执行，JIT编译器逐步将热点代码编译为高效的机器码，以提高整体执行性能。
编译时间和性能权衡：虽然JIT编译会引入一定的编译时间开销，但这个开销通常被编译后执行的性能提升所弥补。JIT编译器在运行时做出的优化决策，使得程序能在不同的运行环境中表现出更好的性能。

本地方法栈（Native Method Stack）是JVM中的一个运行时数据区，用于支持本地方法的执行。本地方法通常是使用本地编程语言（如C、C++）编写的，用来实现Java中无法直接实现的底层操作或者与操作系统交互。具体来说，本地方法栈存放以下内容：

本地方法栈

本地方法栈存储与本地方法调用相关的信息，包括方法的参数、局部变量和返回值等。它类似于Java栈，但专门用于本地方法的执行。

1. 本地方法接口（JNI）的数据

JNI（Java Native Interface）是Java与本地语言交互的接口。本地方法栈包含JNI所需的数据结构，用于管理和执行本地方法调用。这些数据结构包括：

JNI环境指针：用于访问JNI环境和调用JNI函数。
JNI局部引用：本地方法中创建的Java对象引用，它们的生命周期在方法执行期间。

3. 操作系统调用栈

当本地方法调用涉及操作系统层面的功能时，本地方法栈也会存储相应的调用栈信息。例如，调用系统API、进行文件I/O操作或网络操作时，操作系统的调用栈信息也会被存放在本地方法栈中。

4. 原生库的信息

本地方法栈可能包含加载的原生库的相关信息。通过JNI加载的本地库（如.dll或.so文件）的加载地址和加载状态信息都可能存放在本地方法栈中。

示例

以下是一个简单的示例，展示了Java代码如何调用本地方法：

public class NativeExample {// 声明本地方法public native void printHello();static {// 加载本地库System.loadLibrary("NativeExample");}public static void main(String[] args) {new NativeExample().printHello();}
}

对应的C代码实现如下：

#include <jni.h>
#include <stdio.h>
#include "NativeExample.h"JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeExample_printHello(JNIEnv *env, jobject obj) {printf("Hello from native code!\n");
}

在上述示例中，printHello方法的调用涉及以下步骤：

Java代码通过JNI调用本地方法。
JVM将调用信息（参数、局部变量等）推入本地方法栈。
本地方法栈中的JNI环境指针和局部引用用于管理和执行本地方法。
本地方法执行并可能调用操作系统API，操作系统调用栈信息也存储在本地方法栈中。

类加载器

在Java高级开发中，深入理解类加载器（ClassLoader）是非常重要的。类加载器负责将类文件加载到JVM中，并按照特定的机制进行管理。以下是对启动类加载器、扩展类加载器和应用类加载器的详细介绍。

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

作用：负责加载Java核心类库中的类，如java.lang.*、java.util.*等。
实现：启动类加载器是由本地代码实现的（通常是C/C++），并且它是JVM的一部分。
类路径：从<JAVA_HOME>/lib目录加载类，如rt.jar、charsets.jar等。
特点：
- 启动类加载器是没有父类加载器的根类加载器。
- 它不是由Java语言实现的，因此在Java程序中无法直接获取启动类加载器的引用。
- 加载系统级的、与平台相关的Java类。

2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

作用：负责加载Java扩展库中的类。
实现：扩展类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类实现。
类路径：从<JAVA_HOME>/lib/ext目录加载类或者从由系统属性java.ext.dirs指定的目录加载类。
特点：
- 扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。
- 它加载的是位于扩展目录中的库，这些库通常提供额外的功能或服务。

3. 应用类加载器（Application ClassLoader）

作用：负责加载应用程序类路径（classpath）下的类。
实现：应用类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader类实现。
类路径：从系统属性java.class.path指定的目录或JAR文件中加载类，即通常的CLASSPATH环境变量。
特点：
- 应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器。
- 它加载应用程序自定义的类和库，是开发者最常接触到的类加载器。
- 可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法获取应用类加载器的实例。

双亲委派模型

Java的类加载机制采用了双亲委派模型。此模型的核心思想是：类加载器在加载一个类时，首先将请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才尝试自己加载。

双亲委派模型的工作流程如下：

当一个类加载器收到类加载请求时，它不会自己先去加载，而是将该请求委派给父类加载器。
父类加载器接着将该请求委派给它的父类加载器，依此递归下去，直到请求被委派到启动类加载器。
启动类加载器尝试加载，如果成功则返回加载结果；如果失败（如类不存在），则将控制权交回给子类加载器。
子类加载器接到失败通知后，自己尝试加载该类。

优点：

避免重复加载：确保Java核心类库不会被重复加载，确保全局唯一。
安全性：防止核心类库被自定义类覆盖。

自定义类加载器

有时我们需要自定义类加载器以满足特定需求，如加载网络上的类、从数据库加载类等。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类实现，并重写findClass方法。例如：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {byte[] classData = loadClassData(name); // 读取类文件的字节码if (classData == null) {throw new ClassNotFoundException();}return defineClass(name, classData, 0, classData.length);}private byte[] loadClassData(String name) {// 自定义类加载逻辑，例如从网络或数据库加载类字节码return null;}
}