完整教程：Java核心之JVM

2025-09-30 21:13 tlnshuju 阅读(0) 评论(0) 收藏举报

JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）是 Java 语言跨平台特性的核心，它负责将字节码（.class 文件）解释或编译为机器码并执行。以下从核心角度详解 JVM：

跨平台基石："一次编写，到处运行"（Write Once, Run Anywhere）的实现者，通过屏蔽不同操作系统的底层差异，使字节码在任何安装了 JVM 的平台上运行。
内存管理：自动负责内存分配与回收（垃圾回收），减少手动内存操作的风险。
执行引擎：将字节码转换为机器码（解释执行或即时编译 JIT）。

JVM 内存分为线程私有和线程共享两大区域：

程序计数器（Program Counter Register）记录当前线程执行的字节码指令地址（如分支、循环、跳转等），是唯一不会 OOM 的区域。
虚拟机栈（VM Stack）存储方法调用的栈帧（Stack Frame），每个栈帧包含：
- 局部变量表（方法内变量）
- 操作数栈（计算过程的临时信息）
- 动态链接（指向常量池的引用）
- 途径返回地址可能抛出：StackOverflowError（栈深度溢出）、OutOfMemoryError（栈扩展失败）。
本地方法栈（Native Method Stack）类似虚拟机栈，但为 Native 方法（如 C/C++ 实现的手段）服务，HotSpot 将其与虚拟机栈合并完成。

堆（Heap）
- JVM 中最大的内存区域，所有对象实例及数组均在此分配。
- 是垃圾回收（GC）的重要区域，可分为：
  - 新生代（Eden 区 + 两个 Survivor 区，比例通常 8:1:1）
  - 老年代（存放存活久的对象）可能抛出：OutOfMemoryError: Java heap space。
方法区（Method Area）
- 存储类信息（结构、方法、字段）、常量、静态变量、即时编译后的代码等。
- Java 8 后由元空间（Metaspace）搭建，取代永久代，元空间利用本地内存，默认无上限（可配置）。可能抛出：OutOfMemoryError: Metaspace（元空间不足）。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）
- 方式区的一部分，存放类加载时从字节码常量池解析出的字面量（如字符串）和符号引用（如类名、方法名）。
- 字符串常量池（String Pool）是其重要组成，JDK 7 后移至堆中。

JVM 将.class 文件加载到内存并生成可执行代码的过程，分为 5 步：

加载（Loading）通过类全限定名（如java.lang.String）获取二进制字节流，将其转换为方法区的运行时数据结构，并在堆中生成Class对象作为访问入口。
验证（Verification）确保字节码符合 JVM 规范（如格式正确、安全校验），防止恶意字节码攻击。
准备（Preparation）为类的静态变量分配内存并设置初始默认值（如int为 0，boolean为 false），不包含初始化语句（如static int a = 10中的 10 在初始化阶段赋值）。
解析（Resolution）将常量池中的符号引用（如类名、方法名）替换为直接引用（内存地址）。
初始化（Initialization）执行类构造器<clinit>()方法：
- 合并静态变量赋值语句和静态代码块（按顺序执行）。
- 父类<clinit>()先于子类执行。

JVM 自动回收不再被引用的对象内存，核心步骤：

将字节码转换为机器码的核心组件：

解释器：逐行解释字节码为机器码，启动快但执行慢。
JIT 编译器（即时编译器）：将热点代码（频繁执行的代码）编译为本地机器码缓存，提高执行效率（HotSpot 的 C1 编译器针对客户端，C2 针对服务端）。
混合模式：JVM 默认采用解释 + JIT 编译结合的方式，兼顾启动速度和执行效率。