JVM核心技术解析-CSDN博客

📕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）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、CSDN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。

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JVM知识体系

在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们首先需要了解JVM的核心作用以及它在Java生态系统中的重要性。JVM是Java运行时的环境，负责将Java源代码编译成的字节码转换为机器码，从而使得Java程序能够在不同的操作系统上实现“一次编写，到处运行”。

类加载机制

类加载是JVM的核心机制之一，其作用是将类文件（.class文件）加载到JVM中，确保运行时只加载需要的类。

类加载过程

类加载过程可以分为三个阶段：加载（Loading）、连接（Linking）和初始化（Initialization）。

加载（Loading）：JVM首先通过类加载器查找并读取类的.class文件，然后将其加载到JVM中。在加载过程中，JVM会生成一个Class对象。
连接（Linking）：连接过程包括验证（Verification）和准备（Preparation）两个步骤。验证阶段用于检查类文件的正确性，如确保类的结构符合Java规范；准备阶段为类变量分配内存并设置默认初始值。
初始化（Initialization）：初始化是类加载的最后一步，它负责执行类的初始化代码，如静态初始化器和静态变量赋值。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中的一种类加载策略，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都委托父类加载器进行加载。这种模型确保了类加载的统一性和安全性。

自定义类加载器

开发者可以自定义类加载器，以满足特定的加载需求。例如，可以实现一个网络类加载器，从远程服务器加载类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它允许开发者将代码划分为独立的模块，从而提高系统性能和安全性。

模块定义

模块定义文件（module-info.java）用于描述模块的依赖关系、提供的API等。

模块路径

模块路径是JVM查找模块的位置，可以通过--module-path选项指定。

模块系统安全特性

模块系统通过访问控制、服务加载器等机制提高安全性。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和执行引擎。

运行时数据区

运行时数据区包括以下部分：

堆（Heap）：用于存放几乎所有的对象实例，由垃圾回收器管理。
栈（Stack）：每个线程都有自己的栈，用于存放局部变量和方法调用信息。栈空间相对较小，速度较快。
方法区（Method Area）：用于存放已经被加载的类的信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的。
PC寄存器：用于存储当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存使用超过了其限制。常见的内存溢出场景包括：

堆内存溢出：通常由于创建的对象过多或对象生命周期过长导致。
栈内存溢出：通常由于递归调用太深导致。

直接内存管理

直接内存是指JVM堆内存之外的内存空间，用于存储大对象或频繁访问的对象。直接内存不受垃圾回收器的管理。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制。

GC Roots可达性分析

GC Roots是指从GC Roots开始，可以遍历到的所有对象。如果一个对象无法从GC Roots到达，那么它就是垃圾。

分代收集理论

分代收集理论将对象分为不同年龄段，针对不同年龄段使用不同的垃圾回收算法。

引用类型

引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。

并发收集器

并发收集器如CMS和G1，能够在垃圾回收时与应用程序并发执行，减少停顿时间。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收时的停顿时间，提高应用程序的性能。

性能调优

性能调优包括JVM参数配置和内存泄漏诊断。

JIT编译优化

JIT编译器可以将Java字节码编译成本地机器代码，从而提高应用程序的执行效率。

JVM调优技巧

调整堆内存大小：根据应用程序的需要调整堆内存大小，避免内存溢出。
使用合适的数据结构：选择合适的数据结构可以提高应用程序的性能。
优化代码：避免不必要的对象创建、减少递归调用等。
使用并发和并行：利用JVM的并发和并行特性提高应用程序的性能。

JVM性能监控工具

JConsole：JVM性能监控工具，可以监控JVM内存、线程、类加载等信息。
VisualVM：JVM性能监控工具，提供更丰富的功能，如内存分析、线程分析等。
MAT（Memory Analyzer Tool）：内存分析工具，可以帮助开发者诊断内存泄漏问题。

JVM性能调优案例

以一个在线电商系统为例，分析JVM性能调优过程。

分析应用程序性能瓶颈，确定优化方向。
调整JVM参数，如堆内存大小、垃圾回收器等。
优化代码，减少内存占用和垃圾回收。
使用性能监控工具监控JVM性能，确保优化效果。

JVM性能调优最佳实践

熟悉JVM原理和性能监控工具。
了解应用程序的性能瓶颈。
逐步优化，避免过度优化。
定期进行性能评估和调优。

JVM技术发展趋势

JIT编译优化：JIT编译器将不断提高编译效率和性能。
并发垃圾回收：并发垃圾回收技术将进一步提升性能。
模块化系统：模块化系统将简化应用程序的部署和维护。
响应式编程：响应式编程将成为JVM的重要发展方向。

JVM与Spring Boot的关联

JVM为Java程序提供了运行环境，而Spring Boot是在JVM之上构建的一个框架，它简化了Spring应用的创建和配置。在学习和应用这两个技术时，我们需要了解它们之间的内在联系，从而更好地进行开发和管理。

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