JVM核心知识点解析

最新推荐文章于 2025-09-11 20:02:10 发布
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#Java # JVM # Performance Optimization

📕我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。

📙不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

Java程序员廖志伟

💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

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🌟 JVM核心知识点

🍊 JVM定义与作用

Java虚拟机（JVM）是一个执行Java字节码的虚拟机，它提供了一个抽象的计算机环境，具有独立的指令集和内存模型，能够在多种操作系统和硬件平台上运行。JVM的主要职责是执行Java程序，它负责加载、验证、执行Java字节码，并管理内存和垃圾回收。通过这种方式，JVM确保了Java程序的跨平台性和安全性。

🍊 JVM架构

JVM的架构由以下几个关键部分组成：

  • 类加载器：负责将Java类文件加载到JVM中，并创建相应的Java类对象。
  • 运行时数据区：包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。
    • 方法区：存储类信息、常量、静态变量等数据。
    • 堆：存储所有Java对象实例和数组。
    • 虚拟机栈：每个线程私有的，用于存储局部变量和方法调用栈。
    • 本地方法栈：用于存储本地方法调用的栈。
    • 程序计数器：用于存储线程当前执行的字节码指令的地址。
  • 执行引擎：负责执行字节码指令，包括解释器和JIT编译器。

🍊 JVM内存模型

🎉 类加载机制

类加载机制负责将Java类文件加载到JVM中，并创建相应的Java类对象。这个过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个步骤。

🎉 运行时数据区

运行时数据区包括以下部分：

  • 方法区：存储类信息、常量、静态变量等数据。
  • 堆：存储所有Java对象实例和数组。
  • 虚拟机栈：每个线程私有的，用于存储局部变量和方法调用栈。
  • 本地方法栈：用于存储本地方法调用的栈。
  • 程序计数器：用于存储线程当前执行的字节码指令的地址。

🍊 JVM垃圾回收

🎉 垃圾回收算法

垃圾回收算法包括以下几种：

  • 标记-清除算法：通过标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
  • 标记-整理算法：在标记-清除算法的基础上，增加了整理步骤，将存活对象移动到堆的一端，以减少内存碎片。
  • 复制算法：将堆分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，当该区域满时，将存活对象复制到另一个区域。
  • 标记-整理-复制算法：结合了标记-清除算法和复制算法的优点，将堆分为三个区域，每次只使用一个区域。
  • 分代回收算法：将对象分为新生代和老年代，针对不同代采用不同的回收策略。

🎉 垃圾回收器

垃圾回收器包括以下几种：

  • Serial GC：一种单线程的垃圾回收器，适用于单核CPU。
  • Parallel GC：一种多线程的垃圾回收器，适用于多核CPU。
  • CMS GC：一种以低延迟为目标的垃圾回收器，适用于对响应时间要求较高的场景。
  • G1 GC：一种面向服务端应用的垃圾回收器，适用于大内存场景。
  • ZGC：一种低延迟的垃圾回收器，适用于对响应时间要求极高的场景。
  • Shenandoah GC：一种低延迟的垃圾回收器，适用于对响应时间要求极高的场景。

🍊 JVM性能调优

🎉 JVM参数配置

JVM参数配置可以通过命令行或配置文件进行设置，以优化JVM的性能。例如，可以通过设置堆大小、线程数量等参数来优化JVM的性能。

🎉 JVM监控工具

JVM监控工具包括以下几种：

  • JConsole：一个图形化的JVM监控工具，可以实时监控JVM的性能。
  • VisualVM：一个集成了多种JVM监控工具的图形化界面。
  • JProfiler：一个功能强大的JVM性能分析工具。

🎉 性能调优策略

性能调优策略包括以下几种：

  • CPU调优：包括优化代码、减少线程竞争、使用多线程等技术。
  • 内存调优：包括优化对象创建、减少内存泄漏、使用缓存等技术。
  • 线程调优：包括优化线程创建、减少线程竞争、使用线程池等技术。

🍊 JVM类加载机制

🎉 类加载过程

类加载过程包括以下步骤：

  • 加载：加载类信息，创建类对象。
  • 验证：验证类信息，确保类信息符合Java规范。
  • 准备：为类变量分配内存，并设置默认值。
  • 解析：解析类、接口、字段和方法的符号引用。
  • 初始化：执行类构造器，初始化类变量。

🎉 类加载器

类加载器包括以下几种：

  • Bootstrap ClassLoader：JVM自带的类加载器，负责加载核心类库。
  • Extension ClassLoader：负责加载扩展类库。
  • App ClassLoader：负责加载应用程序类库。
  • System ClassLoader：负责加载系统类库。

🍊 JVM字节码执行

🎉 字节码指令集

字节码指令集包括加载、存储、运算、控制等指令。

🎉 执行引擎

执行引擎包括以下两种：

  • 解释器：逐条解释执行字节码指令。
  • Just-In-Time (JIT) 编译器：将字节码编译成本地机器码，以提高执行效率。

🍊 JVM与JIT编译器

🎉 JIT编译器原理

JIT编译器通过分析字节码，优化代码，并将优化后的代码编译成本地机器码。

🎉 JIT编译器优化

JIT编译器优化包括以下几种：

  • 线程局部存储：将局部变量存储在寄存器中，以提高访问速度。
  • 栈映射：将栈上的变量映射到寄存器中，以提高访问速度。
  • 灵活数组：允许数组元素在运行时动态扩展，以提高内存利用率。
  • 循环优化：包括循环展开、循环不变式提取等技术，以提高循环执行效率。

🍊 JVM与垃圾回收器对比

🎉 Serial GC vs Parallel GC

  • Serial GC：适用于单核CPU。
  • Parallel GC：适用于多核CPU。

🎉 CMS GC vs G1 GC

  • CMS GC：适用于对响应时间要求较高的场景。
  • G1 GC：适用于大内存场景。

🎉 ZGC vs Shenandoah GC

  • ZGC：适用于对响应时间要求极高的场景。
  • Shenandoah GC：适用于对响应时间要求极高的场景。

🍊 JVM与类加载器对比

🎉 Bootstrap ClassLoader vs Extension ClassLoader

  • Bootstrap ClassLoader：负责加载核心类库。
  • Extension ClassLoader：负责加载扩展类库。

🎉 App ClassLoader vs System ClassLoader

  • App ClassLoader：负责加载应用程序类库。
  • System ClassLoader：负责加载系统类库。

🍊 JVM与性能调优工具对比

🎉 JConsole vs VisualVM

  • JConsole：一个图形化的JVM监控工具。
  • VisualVM：一个集成了多种JVM监控工具的图形化界面。

🎉 JProfiler vs YourKit

  • JProfiler：一个功能强大的JVM性能分析工具。
  • YourKit：一个功能强大的JVM性能分析工具。

🍊 JVM与JIT编译器对比

🎉 解释器 vs JIT编译器

  • 解释器：逐条解释执行字节码指令。
  • JIT编译器：将字节码编译成本地机器码，以提高执行效率。

🍊 JVM与垃圾回收算法对比

🎉 标记-清除算法 vs 标记-整理算法

  • 标记-清除算法：简单，但会产生内存碎片。
  • 标记-整理算法：可以减少内存碎片。

🎉 标记-整理-复制算法 vs 分代回收算法

  • 标记-整理-复制算法：适用于小内存场景。
  • 分代回收算法：适用于大内存场景。

🍊 JVM类加载机制详细描述

🎉 类加载过程

类加载过程是JVM中一个至关重要的步骤，它确保了Java程序能够正确地加载和初始化所需的类。这个过程包括以下五个步骤：

  1. 加载：JVM通过类加载器将类文件加载到内存中，并创建一个Class对象。
  2. 验证：JVM对加载的类文件进行验证，确保其符合Java虚拟机规范。
  3. 准备：为类变量分配内存，并设置默认值。
  4. 解析：将符号引用转换为直接引用。
  5. 初始化：执行类构造器，初始化类变量。

🎉 类加载器

JVM中的类加载器负责将类文件加载到JVM中。以下是几种常见的类加载器：

  • Bootstrap ClassLoader：负责加载核心类库，如rt.jar中的类。
  • Extension ClassLoader：负责加载扩展类库，通常位于JVM的扩展目录中。
  • App ClassLoader：负责加载应用程序类库，通常位于应用程序的JAR文件中。
  • System ClassLoader：负责加载系统类库，通常与App ClassLoader相同。
类加载器负责加载的类库位置
Bootstrap ClassLoader核心类库rt.jar
Extension ClassLoader扩展类库JVM的扩展目录
App ClassLoader应用程序类库应用程序的JAR文件
System ClassLoader系统类库与App ClassLoader相同

通过上述表格，我们可以清晰地看到每种类加载器负责加载的类库及其位置。这有助于我们更好地理解JVM的类加载机制。

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