JAVA虚拟机（JVM）

Java 平台无关性

编译与优化

JIT 优化

• 逃逸分析
  • 若对象未逃逸出方法作用域，可能被优化为栈上分配（减少堆内存分配开销）。

AOT 编译

• 提前编译
  • 在编译期将字节码直接编译为机器码，生成平台相关的二进制文件。

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运行时内存组成

区域	作用	线程共享性
程序计数器	记录当前线程执行的字节码指令地址（线程私有）。	私有
Java 虚拟机栈	存储局部变量表、操作数栈、动态链接等（线程私有）。	私有
本地方法栈	为本地（Native）方法服务（线程私有）。	私有
堆	存储对象实例，是垃圾回收（GC）的主要区域。	共享
方法区	存储已加载的类信息、常量、静态变量、JIT 编译后的代码等（Java 8 后为元空间）。	共享

方法区实现方式

• 永久代（Java 7 及之前）
• 元空间（Java 8+，直接使用本地内存）
• 堆（部分实现可能使用堆内存）

Class 常量池

• 作用：存储编译期生成的字面量和符号引用。
• 加载流程：类加载时解析并存入运行时常量池。

运行时常量池

• 包含字面量和符号引用，是类加载后的动态常量池。

字符串常量池

• 特性：不可变，存储字符串字面量的唯一实例。
• 来源：
  • 字面量在编译期进入 Class 常量池，运行期进入 字符串常量池。
  • 运行期通过 String.intern() 手动添加字符串到池中。
• intern() 方法逻辑：
  • 若池中已存在相同字符串，返回池中的引用；否则将字符串加入池并返回新引用。

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对象存储模型（OOP-Klass）

对象内存布局

1. 对象头
   • 存储 MarkWord（锁状态）、Klass 指针（指向类元数据）等。
2. 实例数据
   • 对象的字段值（包括父类字段）。
3. 对齐填充
   • 填充字节以保证内存对齐（提升访问效率）。

对象创建流程

1. 类加载检查
   • 检查常量池是否能定位到类的符号引用，是否已加载。
2. 内存分配
   • 指针碰撞法（内存规整时）或 空闲列表法（内存不规整时）。
3. 初始化零值
   • 将对象字段初始化为默认值（如 int 为 0，引用为 null）。
4. 设置对象头
   • 填充 MarkWord 和 Klass 指针。
5. 执行构造方法
   • 调用 <init> 方法初始化对象。
6. 返回对象引用

TLAB 技术（Thread-Local Allocation Buffer）

• 作用：为每个线程分配独立的堆内存区域（TLAB），避免多线程分配时的竞争。
• 替代方案：CAS + 失败重试（性能较低）。

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垃圾回收（GC）

算法分类

算法	特点	缺点
标记-清除	直接标记并清除垃圾对象。	内存碎片化
标记-复制	将内存分为两块，存活对象复制到另一块，清空原块。	浪费 50% 内存
标记-整理	标记存活对象并移动到内存一端，整理碎片。	耗时较长

GC 的 STW（Stop-The-World）

• 问题：垃圾回收时会暂停所有应用线程。
• 优化：通过并发标记、三色标记法减少 STW 时间。

对象存活判断

• 引用计数法
  • 缺点：无法处理循环引用（如两个对象互相引用但无外部引用）。
• 可达性分析法
  • GC Roots：
    • 系统类加载器加载的类。
    • 活着的线程栈中的局部变量。
    • 被 synchronized 锁定的对象。
    • JNI 引用的对象。
  • 从 GC Roots 出发，遍历引用链，不可达的对象判定为可回收。

三色标记法

• 阶段：
  1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接引用的对象。
  2. 并发标记：从灰色对象（已标记但未扫描子引用）开始遍历，与用户线程并行。
  3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间变动的引用（如新增或删除引用）。
• 漏标问题解决：
  • 增量更新：记录并发期间新增的引用。
  • 原始快照：基于标记开始时的引用关系快照。

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引用类型

类型	回收时机	典型应用
强引用	默认引用类型，只要存在强引用，对象不会被回收。	普通对象赋值
软引用	内存不足时优先回收软引用指向的对象。	缓存实现
弱引用	只能存活到下一次 GC 前，无论内存是否充足。	ThreadLocal
虚引用	无法通过虚引用获取对象实例，仅用于跟踪对象被回收的状态（需配合 ReferenceQueue）。	对象回收状态监控

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垃圾回收器分类

按线程模型

• 串行单线程
  • Serial GC（新生代）、Serial Old（老年代）。
• 并行多线程（关注吞吐量）
  • Parallel New（新生代）、Parallel Old（老年代）。
• 并发（关注停顿时间）
  • CMS（老年代，标记-清除算法）。
  • G1（整堆，标记-复制 + 标记-整理）。
  • ZGC（整堆，低停顿、高吞吐）。

CMS 回收流程

1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接关联的对象。
2. 并发标记：与用户线程并行标记存活对象。
3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变动。
4. 并发清除：与用户线程并行清理垃圾对象。
5. Full GC（单线程）：当碎片过多或老年代不足时触发。

G1 回收流程

1. Young GC（STW）：回收 Eden + Survivor 区。
2. 并发标记：标记存活对象。
3. Mixed GC（STW）：回收部分老年代 + 新生代。
4. Full GC（单线程，尽量避免）：内存不足时触发。

• 特点：将堆划分为多个 Region，动态调整新生代/老年代比例。

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新生代与老年代

内存划分

• 新生代：存放新分配的对象，分为 Eden + 2 个 Survivor 区（S0/S1）。
• 老年代：存放长期存活的对象（如经过多次 GC 仍存活的对象）。

Java 8 GC 行为

• 新生代：标记-复制算法。
• 老年代：标记-整理算法。
• 对象分配流程：
  1. 新对象优先分配到 Eden。
  2. Eden 快满时触发 Young GC：
     • 扫描 Eden 和 Survivor0，存活对象复制到 Survivor1。
     • 清空 Eden 和 Survivor0。
  3. 下次 GC 时交换 Survivor0 和 Survivor1 角色。
• 跨代引用问题：
  • Remembered Set：记录老年代对象指向新生代对象的引用，避免全堆扫描。

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类生命周期

加载阶段

1. 加载：将 .class 文件读入 JVM。
2. 链接：
   • 验证：确保字节码合法。
   • 准备：为静态变量分配内存并赋默认值。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用。
3. 初始化：执行静态变量赋值和静态代码块（<clinit> 方法）。

使用与卸载

• 使用：类实例化、调用方法等。
• 卸载：满足条件时由 JVM 卸载类（如无实例、无引用）。

懒加载

• 触发条件：
  • 创建类的实例。
  • 访问类的静态变量或方法。
  • 反射调用类。
• 基础类：JVM 启动时自动加载（如 java.lang.Object）。

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类加载器

分类

• 启动类加载器（C++ 实现，JVM 内部组件）。
• 其他类加载器（Java 实现，独立于 JVM）。

双亲委派模型

1. 类加载请求先委派给父类加载器。
2. 父类加载器无法加载时，子类加载器尝试加载。

• 目的：避免重复加载，保证核心类安全（如防止用户篡改 java.lang.String）。

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JVM 调优工具与参数

工具

• 命令行工具：
  • jps：查看 JVM 进程状态。
  • jstack：分析线程堆栈（死锁检测）。
  • jmap：生成堆转储快照（分析内存泄漏）。
  • jstat：监控 JVM 统计信息（GC、类加载等）。
• 可视化工具：
  • jconsole、VisualVM：图形化监控堆内存、线程、GC 等。

关键参数

类别	参数示例	作用
堆内存	-Xms（初始堆大小）、-Xmx（最大堆大小）	控制堆内存范围
栈内存	-Xss（线程栈大小）	设置每个线程的栈容量
GC 选择	-XX:+UseG1GC（启用 G1）、-XX:+UseParallelGC（启用并行 GC）	指定垃圾回收器
元空间	-XX:MetaspaceSize（初始大小）、-XX:MaxMetaspaceSize（最大大小）	替代永久代的内存管理
调试信息	-XX:+PrintGCDetails（打印 GC 详情）、-verbose:gc（输出 GC 日志）	记录 GC 行为
OOM 处理	-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError（内存溢出时生成堆转储）	辅助分析内存泄漏