Java虚拟机必学之四大知识要点

作为一位 Java 程序员，在尽情享受 Java 虚拟机带来好处的同时，我们还应该去了解和思考“这些技术特性是如何实现的”，去了解最底层的原理。只有熟悉 JVM，你才能在遇到 OutOfMemory 等异常时，不会束手无策，不会一脸懵逼地上网找解决办法，最后就算改了几个启动参数解决了问题，也还是云里雾里。

这次，我会从我专栏里提取了学习 Java 虚拟机的 X 大知识要点，助力大家深入理解 JVM，知其然也知其所以然。 不过你在看知识点之前，最好能问问自己你会怎么回答，再和我提供的内容做对比，这样子提升会比较明显。

第一大知识要点：Java 字节码是如何在虚拟机里运行的？

我将以 HotSpot 虚拟机为例，从虚拟机以及底层硬件两个角度，来分享解析。

一、从虚拟机视角来看

执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 Java 虚拟机中。加载后的 Java 类会被存放于方法区中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。

如果你熟悉 X86 的话，你会发现这和段式内存管理中的代码段类似。而且，Java 虚拟机同样也在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据。不同的是，Java 虚拟机会将栈细分为面向 Java 方法的 Java 方法栈，面向用 C++ 写的 native 方法的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的 PC 寄存器。

在运行过程中，每当调用进入一个 Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的 Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且 Java 虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。

当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java 虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。

二、从硬件视角来看

Java 字节码无法直接执行。因此，Java 虚拟机需要将字节码翻译成机器码。

在 HotSpot 里面，上述翻译过程有两种形式：第一种是解释执行，相当于同声传译，即每解析一条字节码，便翻译成机器码并执行；第二种是即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），则相当于线下翻译，即将整个方法中所包含的字节码统一翻译成机器码后在执行。

前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势在于实际运行速度更快。HotSpot 默认采用混合模式，综合了解释执行和即时编译两者的优点。它会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。

第二大知识要点：Java 虚拟机是如何加载 Java 类的？

Java 虚拟机加载 Java 类的过程可分为加载、链接以及初始化三大步骤。

加载是指查找字节流，并且据此创建类的过程。加载需要借助类加载器，在 Java 虚拟机中，类加载器使用了双亲委派模型，即接收到加载请求时，会先将请求转发给父类加载器。

链接，是指将创建成的类合并至 Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。链接还分验证、准备和解析三个阶段，分别完成“验证被加载类是否满足 Java 虚拟机约束”，“为被加载类静态字段分配内存”，以及“将被加载类中的符号引用解析成为实际引用”的工作。其中，Java 虚拟机规范并不要求解析阶段一定要在链接步骤中完成。

初始化，则是为标记为常量值的字段赋值，以及执行 方法的过程。类的初始化仅会被执行一次，这个特性被用来实现单例的延迟初始化。

第三大知识要点：Java 虚拟机是如何进行垃圾回收的？

Java 虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象。它从一系列 GC Roots 出发，边标记边探索所有被引用的对象。为了防止在标记过程中堆栈的状态发生改变，Java 虚拟机采取安全点机制来实现 Stop-The-World 操作，暂停其他非垃圾回收线程。

回收垃圾对象的内存共有三种基础算法，分别为：会造成内存碎片的清除算法、性能开销较大的压缩算法、以及堆使用效率较低的复制算法。

通常来说，Java 虚拟机会采用分代回收的思想，将堆划分为新生代和老年代，并且通过在不同代中应用不同的垃圾回收算法。

传统的做法是将新生代再划分为 Eden 区和两个大小一致的 Survivor 区。在只针对新生代的 Minor GC 中，Eden 区和非空 Survivor 区的存活对象会被复制到空的 Survivor 区中，当 Survivor 区中的存活对象复制次数超过一定数值时，它将被晋升至老年代。

因为 Minor GC 只针对新生代进行垃圾回收，所以在枚举 GC Roots 的时候，它需要考虑从老年代到新生代的引用。为了避免扫描整个老年代，Java 虚拟机引入了名为卡表的技术，大致地标出可能存在老年代到新生代的引用的内存区域。

G1 垃圾回收器将堆划分为多个等大的区域，每个区域都可以充当 Eden 区，Survivor 区或者老年代区。G1 会优先收集垃圾最多的区域，从而最大化垃圾回收的效益。这也是 Garbage First 名字的由来。

Java 11 中引入的实验性垃圾回收器 ZGC，仅在扫描 GC Roots 时请求 Stop-The-World，暂停应用线程。因此，它宣称可将 GC 暂停时间控制在 10ms 以下。ZGC 暂时没有应用分代回收的思路，将整个堆空间看成一块，其代价是垃圾回收 CPU 消耗较高。

第四大知识要点：Java 内存模型是什么？

在现代计算机系统中，代码通常不会按照书写顺序执行。造成这一情况的原因有三个，分别为编译器的重排序，处理器的乱序执行，以及内存系统的重排序。

以内存系统重排序为例，在多处理器体系架构下，每个处理器都可能缓存了一部分数据。由于时刻保持缓存数据与内存数据同步的性能代价太大，因此部分体系架构可能允许缓存数据与内存数据不同步。这对 Java 程序的影响便是，两个不同的 Java 线程在同一时间内看到的同一块内存地址中的值可能不同。

Java 内存模型是针对上述问题而提出的一套规范，用以允许 Java 程序员更为细致地定义 Java 程序的内存行为。它通过定义了一系列的 happens-before 操作，让应用程序开发者能够轻易地表达不同线程的操作之间的内存可见性。

在遵守 Java 内存模型的前提下，即时编译器以及底层体系架构能够调整内存访问操作，以达到性能优化的效果。如果开发者没有正确地利用 happens-before 规则，那么将可能导致数据竞争。

Java 内存模型是通过内存屏障来禁止重排序的。对于即时编译器来说，内存屏障将限制它所能做的重排序优化。对于处理器来说，内存屏障会导致缓存的刷新操作。