JVM虚拟机的组成

一、为什么要学习 JVM ？

1. “ ⾯试造⽕箭，⼯作拧螺丝” ， JVM 属于⾯试官特别喜欢提问的知识点；

2. 未来在⼯作场景中，也许你会遇到以下场景：

• 线上系统突然宕机，系统⽆法访问，甚⾄直接OOM
• 线上系统响应速度太慢，优化系统性能过程中发现 CPU占用过高，原因也许是因为 JVM GC 次数过于频繁；
• 新项⽬上线，需要设置 JVM 的各种参数；

二、JDK\JRE\JVM

• JDK：全称“Java Development Kit ” Java 开发⼯具包，提供 javac 编译器、 jconsole，jheap 等监控⼯具；
• JRE：全称“ Java Runtime Environment ” Java 运⾏环境，提供 Class Library 核心类库+JVM；
• JVM：全称“ Java Virtual Machine ” Java 虚拟机，⽤于运⾏ Java 应⽤程序； 

三、Java程序执⾏过程

1. 编译：通过 件。 javac 命令，调⽤ JDK 编译器，将
2. 执⾏：通过 *.java 源⽂件编译成 *.class 字节码⽂ java 命令，调⽤ JVM 虚拟机，执⾏ *.class 字节码⽂件。

四、Java程序的跨平台 

计算机平台是什么？       

        我们通常把 CPU 处理器与操作系统构成的系统架构，称为计算机平台。

        现代的电⼦计算机是基于⼆进制设计实现，所以 CPU 仅能识别 0 与 1 这样的⼆进制信号。⽽ 计算机程序的本质就是 0 与 1 之间的不同组合产⽣的机器指令，交给 CPU 去执⾏。CPU为了能识 别执⾏机器指令，就需要不同 CPU 架构和指令集来⽀持。不同的⼚商，设计⽣产 的 CPU ， CPU 架构和指令集也是不同的。

        常⻅的指令集主要分为：精简指令集（ RISC ）和复杂指令集（ CISC ）。

• 复杂指令集（ CISC ）： X86 和 X64 两种 CPU 架构基于 CISC 复杂指令集，⽐如： Intel 、 AMD 等⼚商的 CPU 。
• 精简指令集（ RISC ）： ARM 架构的CPU基于 RISC 精简指令集，⽐如： Compaq 的 Alpha 、 HP 的 PA-RISC 、 IBM 的 Power PC 、 Apple 的 M1 。 在底层硬件及指令集之上，需要搭载不同的操作系统，⽤于⽀持不同的 CPU 指令集。

        例如：早 期的 MacOS 操作系统只⽀持 Power 系列的 CPU 。最新的 MacOS 系统只能安装在 M1 芯⽚的 CPU 。

        Java 是⼀种跨平台的编程语⾔，主要是为了让相同的 Java 应⽤程序代码，不⽤做任何修 改，可以在不同计算机系统平台上正常运⾏，兼容各种主流操作系统+ CPU 指令集。

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跨平台的原因

实现跨平台的原因，主要有两个

1. 不同的平台，相同的源代码，编译的字节码是相同的，所以字节码⽂件可以在不同平台“ 通⽤” ；
2. 不同的平台，执⾏字节码时，都需要各⾃的 JVM 虚拟机版本，⽤于将字节码翻译成当前平台可 以执⾏的机器码指令；

五、静态编译器

通过 JDK 提供的静态编译器，将Java 源⽂件编译成字节码⽂件。

编译过程包括：

1. 词法分析：通过空格分隔出源代码中的单词、操作符、控制符等信息，将其形成 流，传递给语法解析器。
2. 语法分析：将 token 信息流按照 Java 语法规则，组装成⼀颗语法树
3. 语义分析：对语法树进⾏关键字使⽤、类型匹配、作⽤域等语法检查。
4. 字节码：当语义分析完成后，可以⽣成字节码

六、字节码

        当1个 Java 源文件被编译后，就会按照 JVM 规范和字节码定义，产生 1个 class 字节
码文件，文件内容由 10 个固定部分组成。

        前 4 个字节非常特殊，红色框的 cafe babe 是詹姆斯定义的魔法数，它的作用是标志当前文件是一个字节码文件。当 JVM 在进行类加载的 Load 阶段时，如果没有识别到该标志，就说明文件不是字节码文件或已损坏，则无法进行加载。绿色框代表当前版本号，0x34 的十进制为 52 ，是JDK8 的内部版本号，代表这个字节码文件基于 JDK8 编译。
        剩余部分中的每个字节均代表一个字节码指令，由于每个指令的长度按照 1 个字节存储，所以每个指令被称为字节码(Bytecode )，Java 所有的字节码指令有 200 多个。

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        由于纯数字的字节码指令阅读⽐较困难，所以 JVM 在字节码指令的基础上设计了⼀套操作码助 记符，使⽤特殊单词来代替对应的数字指令。

例如：

• 0x15 ILOAD ：读取 int 类型的局部变量
• 0x36 ISTORE ：保存int类型的局部变量
• 0x60 IADD ：执⾏两个 int 类型的数值加法运算
• 0xbb NEW ：创建对象
• 0xbc NEWARRAY ：创建数组
• 0xac IRETURN ：返回 int 类型结果

七、JVM执⾏⽅式

JVM执⾏⽅式

JVM 以解释+编译混合模式，执⾏字节码⽂件。

1. JVM 的执⾏⽅式以解释执⾏为主。执⾏过程中， JVM 将每个字节码⽂件中的每个指令，通过 解释器转换成当前平台可以识别的机器码，然后交给CPU 执⾏。
2. 为了提⾼执⾏效率， JVM 还会在运⾏期间， JVM 通过热点代码的统计分析，识别⾼频的⽅法 调⽤，循环体、公共模块等，当超过阈值时， JVM 会基于 JIT 即时编译器（ me compiler ）将热点代码转换成机器码，直接交给 just-in-ti CPU 执⾏，提⾼执⾏效率。

a. Client 模式下默认阈值是 1500 次， Server 模式下是 10000 次。

• ● JVM 解释器：程序执⾏的时候，解释器⾸先发挥作⽤，省去了编译器编译时间，加快程序的执 ⾏效率。
• ● JIT 编译器：在程序运⾏过程中，随着时间的推移， JIT 开始慢慢发挥了作⽤，把热点代码 编译成本地代码后，以后执⾏相同的代码，即可直接交给 CPU 执⾏，带来更⾼的执⾏效率。

        机器在热机状态可以承受的负载要⼤于冷机状态（刚启动时 ），如果以热机状态时的流量进⾏切 换，可能使处于冷机状态的服务器因⽆法承载流量⽽假死。所以，在⽣产环境中发布应⽤，应该以分 批的⽅进⾏发布，根据机器数量划分成多个批次，每个批次的机器数⼤概占到整个集群的 15% 。

        故障案例：某应⽤在线发布新版本，采⽤进⾏分批发布，发布总批数误填写成分为两批发布。如 果是热机状态，正常情况下，集群中的⼀半的机器可以勉强⽀撑负载流量，但由于刚启动的 JVM 均 是解释执⾏，还没有进⾏热点代码统计和JIT动态编译，导致机器启动之后，当前 1/2 发布成功的 服务器⻢上全部宕机。

八、类加载器 

        字节码必须通过类加载器，通过加载、验证、解析等校验步骤，将字节码⽂件中的类，加载⾄ JVM 的中运⾏时数据区，才可以执⾏字节码。

类加载器的加载过程

当一个类被使用的时候，才会加载到内存中，类加载的过程有：加载、验证、准备、解析、初始化。其中中间三步合并称为链接。

• - 加载：通过包名+类名，获取这个类，准备用流进行传输，将这个类加载到内存中，并创建一个class对象
• - 验证：验证class文件中的信息是否符合虚拟机规范，有没有安全隐患
• - 准备：负责为类的类变量（static修饰的变量）分配内存，并设置默认的初始化值
• - 解析：将类的二级制数据流中的符号引用替换为直接引用。（本类中如果用到了其他类，此时就需要找到对应的类）
• - 初始化：静态变量赋值以及初始化其他资源

九、垃圾收集器

        JVM 在运⾏期间，通过 Garbage Collctor 垃圾收集器，定期对运⾏时数据区进⾏垃圾对 象的回收，从⽽实现了内存⾃动管理。

十、JVM组成结构

        JVM 由类加载器、运⾏时数据区、 JVM 解释器、 JIT 即时编译器、垃圾回收器、本地⽅法库等部分组成。

        由类加载器完成字节码⽂件的加载验证和解析，存储⾄运⾏时数据区，并由执⾏引擎中的解释 器，完成字节码到机器码的解释执⾏。同时进⾏热点代码的统计分析，调⽤ JIT 即时编译器将字节 码直接编译成机器码，提⾼执⾏效率。JVM运⾏期间的⽅法调、数据对象统⼀存放⾄运⾏时数据区。