JVM 学习 - 通俗易懂

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#java #开发语言

于 2025-09-29 23:04:52 首次发布

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JVM 的介绍

JVM 本质上就是一个进程，你在电脑运行了 JVM ，跟运行了一个微信，一个qq音乐，一个浏览器差不多。差别是我们不用学习浏览器内核，但我们要学习JVM内部结构和原理，这有助于开发java程序，如果你学会垃圾回收器工作原理，是不是能开发出更好的Java程序？

JVM 运行有一个进程id ，没有端口，端口一般指的是网络端口，当启动一个spring boot 项目时，我们通常会指定一个 servlet.port: 8080 , 这是 tomcat 的端口，跟 JVM 没关系。（servlet 仅仅是 java 中的接口/规范，具体实现是由 tomcat、 Jetty 等web服务器实现）

JVM 的作用是让你的 windows/linux 电脑有了一个 java 命令，如：java --version 、 java HelloWorld ，用过这个 java HelloWorld命令的都知道，java 命令执行的是 .class 文件，编译命令是 javac HelloWorld.java 。 javac 不是JVM的一部分，它是 JDK 的编译器，一个独立进程，专门用来把 xxx.java 文件编译成字节码文件（.class）

我们下载的 JDK 包含的主要工具：

javac → Java 编译器，独立进程
java → Java 启动器，启动 JVM
javadoc → 生成文档
jar → 打包工具
jconsole, jvisualvm → 监控/调试工具
jstat 监控 JVM 各种运行时信息，查看 GC 活动、堆内存使用、方法区信息等。
jmap 输出堆的详细信息，包括对象分布、堆配置、GC 活动，支持堆 dump

跟 JDK 类似的包还有一个 JRE, 这个都不陌生哈，简单理解 JRE 是 JDK 的部分，JRE 有 JVM，但是没有编译器，生成文档这些工具，因为 JRE 一般用来执行 jar 包，我们在springboot开发环境中打好的jar包，jar包内已经是 .class 文件，不需要编译器，一个 JRE 即可运行，所以 linux 拉取的是 JRE。 tomcat 是内嵌在 spring boot 中，maven 打包时打成可执行jar （胖 jar）就会把 tomcat 打进jar 包。

这样就好理解 java 是跨平台的语言，只需要一个 JVM 和 .class 文件就能运行java语言，那么在windows、linux、 mac 都能安装JVM, 源码编译成字节码文件，形式为 jar 包，JVM 就可以执行它。所以只要操作系统能跑JVM,那么就能执行 Java

讲完了对 JVM 和 java 的介绍，我们来看看 JVM 是怎么执行 .class 文件的，学习 JVM 内部原理。

JVM 内部结构

先看一张图，这张图很清晰的说明了把 JAVA 文件转成字节码文件，经历类加载，进入 JVM 内存，以及执行引擎和本地方法库的结构都能看的很清楚。

补一个中文的图：

注意：

线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法区
线程共享：堆、方法区, 堆外内存（Java7的永久代或JDK8的元空间、代码缓存）

第一次看这图谁不一脸懵，除了 java -> class 流程外，其它一概不懂。

暂且理解成电脑里面启动了JVM进程，然后内存就分配一块空间给JVM 进程，在 JVM 内部把运行时数据区划分成大大小小多块逻辑内存，不知道干啥的，就是划分成这样一块一块的内存区域。然后一个一个学，这一块一块是干啥的。

或者可以这么粗略理解：

类加载器 → 把字节码加载到 方法区。
运行时数据区（堆、栈、方法区等） → 存放执行所需的数据。
执行引擎 → 根据 PC 寄存器指示的字节码指令，

- 从栈帧/堆取数据，
- 解释/编译成机器码，
- 交给 CPU 执行，
- 更新 PC 寄存器。

先学一个类加载入入门。

JVM 类加载机制

首先先看类加载吧，JVM 是如何加载字节码文件？

我把类加载过程和JVM逻辑内存结构串起来讲。

执行五个步骤：

加载：根据类的全限定名（如 com.fency.HelloWorld）把 .class 文件读入内存，并在方法区（或叫做元空间 Metaspace）生成一个代表这个类的 Class 对象。
验证：那 .class 已经加载进来方法区了，执行引擎开始检查 .class 文件是否合法、符合 JVM 规范，避免恶意或错误字节码破坏 JVM。包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
准备：为类的 静态变量（static 字段，存放在方法区） 分配内存，并设置 默认初始值（零值）。例如：public static int a = 10; 在这一步只是把 a 分配内存，赋值为默认的 0，不会赋值 10。
解析：把类中的 符号引用（字面量，以字符串形式表示的类、方法、字段名）转换为 直接引用（指向内存中具体对象的引用/地址）。简单理解就是给字面量一个地址，比如 com.fency.HelloWorld 类，本质上是一个字面量（名字/标识），解析后就指向某个内存地址，就可以通过这个字面量操作内存了。方法区内部有一个常量池，符号引用存储在这里。
初始化：执行类构造器 <clinit>() 方法，对静态变量赋初值、执行静态代码块。例如：上面 a = 10 就是在这一步赋值完成的。初始化可能会创建对象实例，对象实例存储在堆中。执行类构造器 <clinit> 方法时使用虚拟机栈 + 程序计数器。

简化总结就是：

          读取.class ---> [方法区: 存类元数据]
                                 |
                                 v
                          验证 (字节码合法性)
                                 |
                                 v
                      准备 (分配静态变量内存, 默认值)
                                 |
                                 v
                   解析 (常量池符号引用 -> 直接引用)
                                 |
                                 v
     初始化 (执行 <clinit>, 访问方法区+堆, 线程栈, PC)

类加载学完就进入到 JVM 运行时数据区了，一个一个学习，先来一个程序计数器，这东西和 cpu 好像有点关系，先看看。

程序计数器

全程叫做程序计数寄存器（Program Counter Register），有没有想到 cpu 的寄存器？没错，名字就来源于 cpu ，它们有点关联，并非一模一样。

JVM 计数器是在 JVM 程序 运行时数据区的一小块内存（非常小，可以忽略不计），记录下一条要执行的执行的字节码指令地址。

JVM 是多线程的，每个线程都有私有且独立的程序计数器，要能记住“执行到哪条字节码了”，当程序挂起线程时，计数器保存当前的工作状态，切换回来时，从 PC 寄存器指向的字节码继续执行。

顺便回顾 cpu 寄存器存储指令相关的线程信息，cpu 只有把数据装载到寄存器才能运行。

cpu 有一套寄存器，分别是：

程序计数器（PC Register）
存储 下一条要执行指令的地址。JVM 很像cpu, 不同的是 CPU 一个核心仅有一个计数器，当切换线程工作时，需要整套寄存器都刷入内存（ 线程控制块（TCB/PCB） ），再切换，这种保存/恢复机制让 cpu 切换线程开销很大。而JVM 的计数器是线程私有，挂起线程无非就是不执行，寄存器保持不变即可，或者可以理解成 JVM 本身就是内存的一块区域，计数器本身存储在内存中。
指令寄存器（IR, Instruction Register）
存放 当前正在执行的指令。
通用寄存器（General-purpose Register）
存放运算时的 操作数 或 计算结果，例如 EAX, EBX, RAX。
等等 ...