JVM 基础知识：深入理解 Java 的运行时环境！

开篇语

哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。运营社区：C站/掘金/腾讯云/阿里云/华为云/51CTO；欢迎大家常来逛逛

  今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。

  我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

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前言

Java 虚拟机（JVM）是 Java 程序能够实现平台独立性的关键，它是 Java 程序执行的核心。在 Java 程序运行时，JVM 执行字节码文件，管理内存、执行线程、垃圾回收等。理解 JVM 的工作原理，对于编写高效、稳定的 Java 程序至关重要。

本文将深入探讨 JVM 的基础知识，包括 JVM 内存结构、垃圾回收机制、类加载过程、JVM 参数调优和性能监控工具。

1. JVM 内存结构

JVM 的内存结构是 Java 程序执行时数据存储和管理的基础，主要分为以下几个区域：

1.1 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器（PC Register）是每个线程的私有内存区域，用于存储当前线程正在执行的字节码的地址。每当线程切换时，JVM 会根据程序计数器来恢复当前线程执行的代码位置。由于线程之间是并发执行的，因此每个线程都有独立的程序计数器。

1.2 Java 堆（Heap）

Java 堆是 JVM 中最大的一块内存区域，用于存储所有对象和数组。所有通过 new 关键字创建的对象都会分配到堆内存中。堆的管理是垃圾回收（GC）的主要目标区域。

• 新生代：年轻代（Young Generation）是堆的一个区域，主要存储新创建的对象。大多数对象会在这个区域中被快速回收。
• 老年代：老年代（Old Generation）存储那些生命周期较长的对象。经过多次垃圾回收的对象会被晋升到老年代。

1.3 方法区（Method Area）

方法区用于存储类信息、常量、静态变量和方法等数据。它也叫做永久代（PermGen），但在 Java 8 以后被 元空间（Metaspace） 替代。元空间不再使用堆内存，而是直接使用本地内存。

1.4 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于存储 JNI（Java Native Interface）调用的本地方法（即用其他语言编写的代码，如 C 或 C++）。每个线程都有自己的本地方法栈，用于执行与平台相关的操作。

1.5 栈（Stack）

每个线程都有自己的栈，它用于存储局部变量、方法调用的返回地址和方法执行过程中的中间结果。栈中的数据是线程私有的，随着方法的调用和返回自动入栈和出栈。

1.6 直接内存（Direct Memory）

直接内存并不属于 JVM 内存区域的一部分，但它是 Java NIO（New I/O）中使用的重要内存区域。它通过操作系统的本地内存（通过 sun.misc.Unsafe 类）进行直接的内存操作，避免了 JVM 堆内存的分配和复制。

2. 垃圾回收机制

JVM 的垃圾回收机制（Garbage Collection, GC）负责自动回收无用的对象，以释放内存。Java 程序员无需手动管理内存，但理解垃圾回收机制对于优化性能非常重要。

2.1 垃圾回收的基本原理

垃圾回收的基本思想是自动识别哪些对象不再被使用，并释放其占用的内存。常用的垃圾回收算法有：

• 标记-清除算法：标记所有需要回收的对象，然后直接清除它们。简单但效率较低，因为标记和清除的过程中可能会产生内存碎片。
• 复制算法：将内存分为两个区域，使用一个区域来分配新对象。当区域满时，将存活的对象复制到另一个区域，然后清空当前区域。减少了内存碎片，但需要额外的内存空间。
• 标记-整理算法：标记对象并将存活对象整理到内存的一端，避免产生碎片。
• 分代回收算法：JVM 根据对象存活的时间，将内存分为新生代和老年代。大多数对象会在新生代回收，而老年代则采用不同的回收策略。

2.2 垃圾回收器

JVM 提供了多种垃圾回收器，用于不同的回收策略和应用场景。常见的垃圾回收器包括：

• Serial Garbage Collector：单线程回收，适用于资源有限的环境。
• Parallel Garbage Collector：多线程回收，适用于多核机器，能够提高垃圾回收的效率。
• CMS (Concurrent Mark-Sweep) Garbage Collector：并发标记清除，减少停顿时间，适合对响应时间有高要求的应用。
• G1 Garbage Collector：分代收集器，适用于大内存环境，能够控制垃圾回收的停顿时间，避免长时间的停顿。

2.3 垃圾回收日志

通过 JVM 参数可以启用垃圾回收日志，帮助我们分析 GC 行为。常用参数如下：

-Xlog:gc*          # 打印所有 GC 日志
-XX:+PrintGCDetails # 打印详细 GC 信息
-XX:+PrintGCDateStamps # 打印 GC 时间戳

3. 类加载过程

类加载过程是指 JVM 将类的字节码文件加载到内存中并解析成类的实例的过程。类加载过程主要分为以下几个阶段：

3.1 类加载器（ClassLoader）

JVM 使用类加载器加载类，主要有三种类型的类加载器：

• 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载 JDK 核心库，如 rt.jar 中的类。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载 ext 目录中的类。
• 应用类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用程序类路径中的类。

3.2 类加载过程

类加载过程主要包括以下几个步骤：

1. 加载（Loading）：通过类加载器加载类的字节码文件，生成一个 Class 对象。
2. 验证（Verification）：验证字节码的有效性，确保没有恶意代码。
3. 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存并赋默认值。
4. 解析（Resolution）：将符号引用（如类、方法、字段等）解析为直接引用。
5. 初始化（Initialization）：执行类的静态初始化块（static 块），并初始化静态变量。

3.3 类加载的双亲委派模型

Java 使用双亲委派模型来决定类加载的顺序。类加载器首先将加载请求交给父类加载器，如果父类加载器不能加载，则由当前加载器进行加载。这种方式有效避免了类加载冲突。

4. JVM 参数调优

JVM 参数调优用于优化 JVM 的性能，尤其是垃圾回收和内存管理。常见的 JVM 参数有：

4.1 堆内存参数

• -Xms：设置 JVM 启动时堆的初始大小。
• -Xmx：设置 JVM 最大堆内存大小。
• -XX:NewSize：设置新生代的大小。
• -XX:MaxNewSize：设置新生代的最大大小。

-Xms512m -Xmx1024m

4.2 垃圾回收器选择

• -XX:+UseSerialGC：使用串行垃圾回收器。
• -XX:+UseParallelGC：使用并行垃圾回收器。
• -XX:+UseG1GC：使用 G1 垃圾回收器。

4.3 调整垃圾回收的停顿时间

• -XX:MaxGCPauseMillis：设置垃圾回收的最大停顿时间。
• -XX:GCTimeRatio：控制垃圾回收的时间占比。

4.4 其他调优参数

• -XX:+PrintGCDetails：打印垃圾回收的详细信息。
• -XX:+PrintGCDateStamps：打印 GC 事件的时间戳。
• -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用并发标记-清除垃圾回收。

5. 性能监控工具

Java 提供了多种工具来监控 JVM 的性能，帮助开发者定位瓶颈和优化应用程序。

5.1 jps（Java Virtual Machine Process Status Tool）

jps 命令可以列出当前所有运行的 JVM 进程。

jps

5.2 jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）

jstat 用于查看 JVM 的内存和垃圾回收统计信息。

jstat -gc <pid>

5.3 jconsole

jconsole 是一个图形化的监控工具，能够实时查看 JVM 的堆内存、GC、线程等信息。

5.4 visualvm

visualvm 提供了 JVM 的可视化监控，支持查看内存、线程、垃圾回收等详细信息。

5.5 jprofiler

jprofiler 是一个强大的 Java 性能分析工具，可以用于分析内存泄漏、线程瓶颈等问题。

总结

理解 JVM 的基础知识对于编写高效的 Java 应用至关重要。掌握 JVM 内存结构、垃圾回收机制、类加载过程、JVM 参数调优和性能监控工具，可以帮助开发者优化应用程序的性能，确保程序在生产环境中的稳定性和高效性。通过合理调优 JVM，可以有效减少 GC 停顿时间，提高吞吐量，进而提升 Java 应用的性能和响应速度。

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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学习不分先后，知识不分多少；事无巨细，当以虚心求教；三人行，必有我师焉！！！

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