Java 虚拟机（JVM）

Java 虚拟机（JVM）

一、JVM 的核心功能

1. 跨平台执行
   Java 源代码（.java）编译为字节码（.class），JVM 在运行时将字节码解释/编译成具体平台的机器指令，实现"一次编写，到处运行"。
   示例： Windows 和 Linux 的 JVM 实现不同，但执行相同的字节码。

2. 内存管理
   自动管理内存分配与回收，通过垃圾回收（GC）机制释放无用对象占用的堆内存。

3. 运行时环境
   提供线程管理、异常处理、安全检查等运行时支持。

二、JVM 核心组件

根据运行时数据区域划分：

三、JVM 工作流程

1. 类加载

   • 加载：通过类加载器（ClassLoader）将 .class 文件读入内存
   • 链接：
     • 验证：检查字节码合法性
     • 准备：为静态变量分配内存
     • 解析：符号引用转直接引用
   • 初始化：执行静态代码块和静态变量赋值

2. 字节码执行

   • 解释执行：逐条解释字节码（启动快，执行慢）
   • 即时编译（JIT）：将热点代码编译为本地机器码（执行快，编译耗时）
     公式：$ \text{执行效率} = \alpha \cdot \text{JIT编译} + \beta \cdot \text{解释执行} $

3. 垃圾回收（GC）

   • 标记阶段：从 GC Roots 遍历对象引用链，标记存活对象
   • 回收阶段：
     • 复制算法（新生代）
     • 标记-整理（老年代）
   • 常用 GC 算法对比：

     算法	适用区域	特点	停顿时间
     Serial GC	新生代	单线程复制	高
     G1 GC	全堆	分Region收集，可预测停顿	中
     ZGC	全堆	并发标记整理	<10ms

四、JVM 架构示例

public class JVMArchDemo {
    static final String CONSTANT = "常量池示例"; // 进入运行时常量池
    static int staticVar = 1; // 方法区存储

    public static void main(String[] args) {
        int stackVar = 10; // 栈帧存储
        Object obj = new Object(); // 对象在堆分配
        System.out.println(obj.hashCode());
    }
}

五、关键优化技术

1. 分层编译（Tiered Compilation）
   • 混合使用解释器、C1编译器（轻量优化）、C2编译器（深度优化）
2. 逃逸分析
   将未逃逸对象分配在栈上，减少GC压力：
   $${\text{对象分配成本}}_{栈}\ll {\text{对象分配成本}}_{堆}$$
3. 元空间（Metaspace）替代永久代
   JDK8+ 使用本地内存存储类元数据，避免 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。

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