技术图谱

# JVM 深入解析

# 一、JVM 核心概念与概述

# 1. JVM 简介

Java 虚拟机（JVM, Java Virtual Machine）是 Java 平台的核心组成部分，它负责将 Java 字节码转换为特定平台的机器码并执行。JVM 提供了跨平台能力，使得 Java 程序可以在不同的操作系统上运行，实现了"一次编写，到处运行"（Write Once, Run Anywhere）的特性。

JVM 的主要功能包括：

  • 字节码解释和执行
  • 内存管理（分配和回收）
  • 线程管理
  • 安全机制
  • 异常处理
  • 类加载

# 2. JVM 的架构模型

JVM 采用基于栈的架构模型，与基于寄存器的架构相比，基于栈的架构具有更好的跨平台性，但在执行效率上可能略逊一筹。

基于栈的架构特点：

  • 指令集小，编译器容易实现
  • 无需硬件支持，可移植性强
  • 执行过程依赖栈操作，指令多

基于寄存器的架构特点：

  • 指令集大，执行效率高
  • 依赖硬件实现，可移植性差
  • 指令少，执行速度快

# 3. JVM 版本演变

JVM 随着 Java 版本的更新而不断演进，每个大版本都会引入性能优化和新特性。主要版本包括：

  • JDK 1.0-1.4：早期版本，性能和功能相对有限
  • JDK 5.0：引入了 JVM 性能提升、泛型等重要特性
  • JDK 6：提升了 JVM 性能，引入了 JMX 等监控工具
  • JDK 7：G1 垃圾收集器（实验性）、invokedynamic 指令
  • JDK 8：元空间替代永久代、G1 成为默认收集器
  • JDK 9：模块化系统（Jigsaw）、ZGC 垃圾收集器（实验性）
  • JDK 11：ZGC 正式发布、Epsilon 收集器
  • JDK 17：增强 ZGC、移除实验性的 AOT 编译器
  • JDK 21：分代 ZGC

# 二、JVM 架构详解

# 1. 类加载子系统

类加载子系统负责查找和加载类文件，并将其转换为 JVM 可识别的内部表示。类加载过程分为以下几个阶段：

加载（Loading）：

  • 通过类名查找类文件
  • 将类文件内容加载到内存
  • 创建 Class 对象表示这个类

链接（Linking）：

  • 验证（Verification）： 确保类文件格式正确、符合 JVM 规范
  • 准备（Preparation）： 为静态变量分配内存并设置默认值
  • 解析（Resolution）： 将符号引用替换为直接引用

初始化（Initialization）：

  • 执行静态初始化块
  • 为静态变量赋予正确的初始值

使用（Using）：

  • 类实例化和方法调用

卸载（Unloading）：

  • 类不再使用时被 GC 回收

# 2. 运行时数据区

运行时数据区是 JVM 内存管理的核心区域，分为以下几个部分：

程序计数器（Program Counter Register）：

  • 记录当前执行的字节码位置
  • 线程私有，每个线程都有独立的程序计数器
  • 如果执行的是 native 方法，计数器值为 undefined

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）：

  • 线程私有，存储方法执行的栈帧
  • 每个方法执行时会创建一个栈帧，包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等
  • 可能抛出 StackOverflowError（栈溢出）和 OutOfMemoryError（内存不足）

本地方法栈（Native Method Stack）：

  • 与虚拟机栈类似，但用于执行 native 方法
  • 线程私有
  • 可能抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError

Java 堆（Java Heap）：

  • 所有线程共享，存储对象实例和数组
  • 垃圾收集器主要工作区域
  • 可分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）
  • 可能抛出 OutOfMemoryError

方法区（Method Area）：

  • 所有线程共享，存储类结构、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等
  • JDK 8 之前使用永久代（Permanent Generation）实现
  • JDK 8 及以后使用元空间（Metaspace）实现，元空间使用本地内存
  • 可能抛出 OutOfMemoryError

运行时常量池（Runtime Constant Pool）：

  • 方法区的一部分，存储编译期生成的各种字面量和符号引用
  • 具有动态性，运行时也可以添加常量（如 String.intern()）

# 3. 执行引擎

执行引擎负责将字节码转换为特定平台的机器码并执行，主要包括以下组件：

解释器（Interpreter）：

  • 逐行解释字节码并执行
  • 启动速度快，但执行效率低

即时编译器（Just-In-Time Compiler, JIT）：

  • 将热点代码（频繁执行的代码）编译为本地机器码
  • 执行效率高，但编译需要时间
  • 分为 C1 编译器（客户端编译器）和 C2 编译器（服务器编译器）
  • JDK 10 引入了 Graal 编译器作为实验性 JIT 编译器

垃圾收集器（Garbage Collector）：

  • 自动回收不再使用的对象内存
  • 无需程序员手动管理内存

本地方法接口（Native Interface）：

  • 与本地方法库交互的接口
  • 允许 Java 调用本地方法（如 C/C++ 实现的方法）

# 三、JVM 内存管理

# 1. 内存分配策略

JVM 根据对象的不同特性采用不同的内存分配策略：

对象优先在 Eden 区分配：

  • 大多数对象在 Eden 区分配内存
  • 当 Eden 区空间不足时，触发 Minor GC

大对象直接进入老年代：

  • 大对象（如大数组）直接在老年代分配
  • 避免大对象在 Eden 区和 Survivor 区之间频繁复制

长期存活的对象进入老年代：

  • 对象每经历一次 Minor GC 仍存活，年龄增加 1
  • 当年龄达到阈值（默认 15）时，进入老年代

动态对象年龄判定：

  • 如果在 Survivor 区中相同年龄的所有对象大小总和大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代
  • 无需等待年龄达到阈值

# 2. 内存回收策略

JVM 采用分代收集的内存回收策略，根据对象的存活周期将内存划分为不同区域：

Minor GC：

  • 发生在年轻代的垃圾回收
  • 速度快，频率高
  • 采用复制算法

Major GC/Full GC：

  • Major GC 发生在老年代的垃圾回收
  • Full GC 是对整个堆进行垃圾回收
  • 速度慢，频率低
  • 通常采用标记-清除或标记-整理算法

Stop-The-World：

  • 垃圾收集器执行时，所有应用线程都会暂停
  • 不同的收集器有不同的暂停时间

# 3. 内存泄漏与溢出

内存泄漏（Memory Leak）：

  • 程序中已不再使用的对象无法被 GC 回收
  • 常见原因：长生命周期对象持有短生命周期对象的引用、静态集合类使用不当、数据库连接未关闭等

内存溢出（OutOfMemoryError）：

  • 程序请求的内存超过了 JVM 所能提供的最大内存
  • 常见类型：
    • Java heap space：堆内存不足
    • PermGen space/Metaspace：方法区内存不足
    • StackOverflowError：栈溢出
    • Requested array size exceeds VM limit：请求的数组大小超过了 JVM 限制

# 四、垃圾收集器

# 1. 垃圾收集算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）：

  • 先标记所有需要回收的对象，然后统一回收
  • 优点：不需要移动对象
  • 缺点：产生内存碎片，影响程序运行效率

复制算法（Copying）：

  • 将内存分为两块，每次只使用其中一块
  • 垃圾回收时，将存活对象复制到另一块，然后清除使用过的内存
  • 优点：不会产生内存碎片
  • 缺点：内存利用率低

标记-整理算法（Mark-Compact）：

  • 先标记所有需要回收的对象，然后将存活对象向一端移动，最后清除边界以外的内存
  • 优点：不会产生内存碎片，内存利用率高
  • 缺点：需要移动对象，效率较低

分代收集算法（Generational Collection）：

  • 根据对象存活周期的不同将内存分为不同区域
  • 年轻代：对象存活率低，采用复制算法
  • 老年代：对象存活率高，采用标记-清除或标记-整理算法

# 2. 常见垃圾收集器

Serial 收集器：

  • 单线程收集器
  • 简单高效，适用于单 CPU 环境
  • 收集时会 Stop-The-World
  • 年轻代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法

Parallel 收集器：

  • Serial 的多线程版本
  • 关注吞吐量（吞吐量 = 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + 垃圾收集时间)）
  • 适用于后台计算等对延迟要求不高的场景

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：

  • 以获取最短回收停顿时间为目标
  • 基于标记-清除算法
  • 分为初始标记、并发标记、重新标记、并发清除四个阶段
  • 优点：并发收集、低延迟
  • 缺点：对 CPU 资源敏感、产生内存碎片、无法处理浮动垃圾

G1（Garbage First）收集器：

  • JDK 9 及以后的默认收集器
  • 基于标记-整理算法
  • 将堆分为多个大小相等的独立区域（Region）
  • 可以精确控制停顿时间
  • 优先回收价值最大的区域
  • 适用于大堆内存

ZGC（Z Garbage Collector）：

  • JDK 11 引入的低延迟收集器
  • 支持 TB 级别的堆内存
  • 停顿时间控制在毫秒级别
  • 并发执行所有阶段
  • 基于标记-整理算法
  • 使用着色指针和读屏障技术

Shenandoah 收集器：

  • 与 ZGC 类似，也是低延迟收集器
  • 主要区别在于使用连接指针而非着色指针实现并发压缩

Epsilon 收集器：

  • JDK 11 引入的无操作收集器
  • 不进行任何垃圾回收操作
  • 适用于性能测试、内存压力测试等场景

# 3. 收集器选择策略

选择合适的垃圾收集器需要考虑以下因素：

  • 应用类型： 桌面应用、Web 应用、批处理应用等
  • 硬件配置： CPU 核心数、内存大小
  • 性能目标： 吞吐量优先还是延迟优先
  • 内存占用： 应用程序的内存需求

推荐的选择策略：

  • 单 CPU 环境：Serial 收集器
  • 多 CPU 环境，吞吐量优先：Parallel 收集器
  • 多 CPU 环境，延迟优先：CMS、G1、ZGC 或 Shenandoah 收集器
  • 大堆内存（> 8GB）：G1、ZGC 或 Shenandoah 收集器

# 五、JVM 类加载机制

# 1. 类加载器分类

JVM 自带的类加载器包括：

Bootstrap Class Loader（启动类加载器）：

  • 最顶层的类加载器
  • 负责加载 Java 核心类库（如 rt.jar）
  • 使用 C/C++ 实现
  • 没有父加载器
  • 加载的类位于 <JAVA_HOME>/lib 目录

Extension Class Loader（扩展类加载器）：

  • 负责加载 Java 扩展类库
  • 使用 Java 实现
  • 父加载器是 Bootstrap Class Loader
  • 加载的类位于 <JAVA_HOME>/lib/ext 目录

Application Class Loader（应用程序类加载器）：

  • 负责加载应用程序的类路径上的类
  • 使用 Java 实现
  • 父加载器是 Extension Class Loader
  • 是默认的类加载器

自定义类加载器：

  • 用户可以通过继承 java.lang.ClassLoader 类实现自定义类加载器
  • 用于满足特殊需求，如加密解密、热部署等

# 2. 类加载机制的特点

双亲委派模型（Parents Delegation Model）：

  • 类加载器收到类加载请求时，首先委托给父加载器加载
  • 父加载器无法加载时，才由子加载器尝试加载
  • 优点：避免类的重复加载、保护 Java 核心类库的安全

打破双亲委派模型的情况：

  • 线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）：用于加载 SPI 实现类
  • OSGi 模块化框架：支持热部署和动态加载
  • Tomcat 等容器：为每个 Web 应用提供独立的类加载环境

# 3. 类的生命周期

类的生命周期包括以下阶段：

  • 加载（Loading）： 查找并加载类文件
  • 链接（Linking）： 验证、准备、解析
  • 初始化（Initialization）： 执行静态初始化块和静态变量赋值
  • 使用（Using）： 实例化对象、调用方法
  • 卸载（Unloading）： 类不再使用时被 GC 回收

类初始化的触发条件：

  • 创建类的实例
  • 调用类的静态方法
  • 访问类的静态字段（final 常量除外）
  • 使用反射方式强制创建类或接口的 Class 对象
  • 初始化一个类的子类
  • 启动类（包含 main 方法的类）

# 六、JVM 调优

# 1. JVM 调优基础

调优目标：

  • 提高应用程序的响应速度
  • 提高应用程序的吞吐量
  • 减少垃圾收集的暂停时间
  • 减少内存占用

调优前的准备：

  • 确定性能瓶颈
  • 建立性能基准线
  • 设置合理的调优目标

# 2. 常用 JVM 参数

堆内存相关参数：

  • -Xms<size>：初始堆大小，如 -Xms2g
  • -Xmx<size>：最大堆大小，如 -Xmx4g
  • -Xmn<size>：年轻代大小，如 -Xmn2g
  • -XX:SurvivorRatio=<ratio>：Eden 区与 Survivor 区的比例，如 -XX:SurvivorRatio=8（表示 Eden:Survivor=8:1）
  • -XX:MaxTenuringThreshold=<age>：对象进入老年代的年龄阈值，如 -XX:MaxTenuringThreshold=15

垃圾收集器相关参数：

  • -XX:+UseSerialGC：使用 Serial 收集器
  • -XX:+UseParallelGC：使用 Parallel 收集器
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用 CMS 收集器
  • -XX:+UseG1GC：使用 G1 收集器
  • -XX:+UseZGC：使用 ZGC 收集器

GC 日志相关参数：

  • -XX:+PrintGCDetails：打印详细的 GC 日志
  • -XX:+PrintGCDateStamps：打印 GC 发生的时间戳
  • -Xloggc:<file>：指定 GC 日志文件路径，如 -Xloggc:gc.log
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：发生 OOM 时生成堆转储文件
  • -XX:HeapDumpPath=<path>：指定堆转储文件路径

JIT 相关参数：

  • -XX:CompileThreshold=<invocations>：方法调用多少次后进行 JIT 编译
  • -XX:+TieredCompilation：启用分层编译

# 3. 调优策略

年轻代调优：

  • 适当增加年轻代大小，减少 Minor GC 频率
  • 调整 SurvivorRatio，避免对象过早进入老年代
  • 对于短期对象多的应用，增大年轻代比例

老年代调优：

  • 选择合适的垃圾收集器
  • 调整老年代大小，避免频繁的 Full GC
  • 监控老年代内存增长情况，找出内存泄漏

GC 调优：

  • 减少 Stop-The-World 时间
  • 调整 GC 触发时机
  • 监控 GC 日志，分析 GC 行为

内存泄漏排查：

  • 使用堆转储分析工具（如 MAT、VisualVM）分析内存泄漏
  • 监控对象创建和销毁情况
  • 检查长生命周期对象引用

# 七、JVM 监控与诊断工具

# 1. 命令行工具

jps（Java Process Status）：

  • 显示 Java 进程的 PID 和主类名
  • 常用命令：jps -l（显示完整包名）、jps -v（显示 JVM 参数）

jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）：

  • 监控 JVM 的运行状态和统计信息
  • 常用命令：jstat -gc <pid>（显示 GC 相关信息）、jstat -class <pid>（显示类加载信息）

jinfo（Java Configuration Info）：

  • 查看和修改 JVM 的配置参数
  • 常用命令：jinfo <pid>（显示所有参数）、jinfo -flag <flag> <pid>（显示特定参数）

jmap（Java Memory Map）：

  • 生成堆转储文件和查看内存使用情况
  • 常用命令：jmap -heap <pid>（显示堆内存信息）、jmap -dump:format=b,file=<file> <pid>（生成堆转储文件）

jhat（Java Heap Analysis Tool）：

  • 分析堆转储文件
  • 常用命令：jhat <heap-dump-file>

jstack（Java Stack Trace）：

  • 生成线程堆栈信息，用于排查线程问题
  • 常用命令：jstack <pid>（显示所有线程堆栈）

jcmd（Java Command）：

  • 多功能命令行工具，可以执行多种 JVM 相关操作
  • 常用命令：jcmd <pid> VM.flags（显示 JVM 参数）、jcmd <pid> GC.run（执行 GC）

# 2. 可视化工具

VisualVM：

  • 集成了多种 JVM 监控和诊断功能
  • 支持内存分析、线程分析、性能分析等
  • 可以安装插件扩展功能

JConsole：

  • JDK 自带的监控工具
  • 提供内存、线程、类加载等监控功能
  • 支持图表化显示

MAT（Memory Analyzer Tool）：

  • 专业的堆内存分析工具
  • 用于分析内存泄漏和内存使用情况
  • 支持多种报表和分析视图

JMC（Java Mission Control）：

  • 高级性能分析和诊断工具
  • 集成了 JFR（Java Flight Recorder）功能
  • 提供详细的 JVM 运行数据

JProfiler：

  • 商业性能分析工具
  • 支持 CPU、内存、线程等多维度分析
  • 提供详细的热点分析和内存泄漏检测

# 八、JVM 实践案例

# 1. 常见性能问题排查

案例一：应用程序响应缓慢

问题现象： 应用程序响应时间变长，用户体验下降。

可能原因：

  • GC 频繁或 GC 暂停时间过长
  • 内存不足，频繁进行内存分配和回收
  • 线程死锁或阻塞
  • 数据库查询缓慢

排查步骤：

  1. 使用 jstat 监控 GC 情况，查看是否有频繁的 Full GC
  2. 使用 jstack 查看线程状态，检查是否有死锁或阻塞
  3. 使用 VisualVM 或 JProfiler 分析应用程序的性能热点
  4. 检查数据库连接池和查询性能

优化方案：

  • 调整 JVM 堆大小和 GC 策略
  • 优化内存使用，减少对象创建
  • 修复线程死锁问题
  • 优化数据库查询和索引

案例二：OutOfMemoryError 异常

问题现象： 应用程序抛出 OutOfMemoryError 异常并崩溃。

可能原因：

  • 堆内存不足
  • 内存泄漏
  • 大对象分配
  • 方法区（元空间）内存不足

排查步骤：

  1. 检查错误信息，确定 OOM 的类型（Java heap space、PermGen space/Metaspace 等）
  2. 分析 GC 日志，查看内存使用趋势
  3. 使用 jmap 生成堆转储文件
  4. 使用 MAT 等工具分析堆转储文件，找出内存占用大的对象或内存泄漏点

优化方案：

  • 增加 JVM 堆大小或元空间大小
  • 修复内存泄漏问题
  • 优化大对象的创建和使用
  • 调整 GC 策略

# 2. JVM 调优实践

案例：Web 应用程序调优

应用特点：

  • 典型的 Web 应用，处理大量 HTTP 请求
  • 有大量短期对象和部分长期对象
  • 对响应时间有较高要求

调优前配置：

  • JVM 参数：-Xms2g -Xmx2g
  • 默认 GC 收集器

调优步骤：

  1. 监控应用程序的内存使用和 GC 情况
  2. 发现 Full GC 频率较高，且暂停时间较长
  3. 调整 GC 收集器为 G1
  4. 调整年轻代和老年代的比例
  5. 监控调优后的效果

调优后配置：

  • JVM 参数：-Xms4g -Xmx4g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:G1HeapRegionSize=16m

调优效果：

  • Full GC 频率从每小时 2-3 次减少到每天 1-2 次
  • GC 暂停时间从平均 500ms 减少到平均 80ms
  • 应用程序响应时间明显改善

# 九、JVM 最新发展趋势

# 1. 性能优化

JVM 持续在性能优化方面进行改进，主要包括：

  • 垃圾收集器优化： ZGC、Shenandoah 等低延迟收集器的成熟和普及
  • JIT 编译器优化： Graal 编译器的发展和应用
  • 内存管理优化： 减少内存占用，提高内存利用率
  • 启动时间优化： 减少 JVM 启动时间，提升应用程序的启动速度

# 2. 新特性和改进

JDK 新版本中 JVM 相关的新特性和改进包括：

  • GraalVM： 提供即时编译、提前编译和多语言支持的高性能运行时
  • AOT 编译： 提前编译 Java 代码为本地机器码，提高启动性能
  • JFR 增强： Java Flight Recorder 的功能增强，提供更详细的运行时数据
  • JVM 工具链改进： 提供更强大、更易用的监控和诊断工具

# 3. 云原生支持

随着云原生技术的发展，JVM 也在不断增强对云环境的支持：

  • 容器感知： JVM 能够自动感知容器环境的资源限制
  • 内存使用优化： 减少 JVM 在容器环境中的内存占用
  • 弹性伸缩支持： 优化 JVM 在弹性伸缩环境中的表现
  • 轻量级运行时： 提供更轻量级的 JVM 运行时，适合微服务架构

通过不断的优化和创新，JVM 继续保持其在企业级应用开发中的核心地位，为 Java 应用程序提供高性能、可靠、安全的运行环境。

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