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JVM ​

JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机）是Java程序运行的核心部分，是一种虚拟的计算机，它能够执行用Java编写的字节码文件（.class文件），并提供了跨平台能力,即让java和能在jvm运行的语言具备一次编写，到处运行的能力。

JVM能做什么 ​

  1. 加载字节码： 读取 .class 文件（Java编译器编译生成的文件）。

  2. 字节码执行：将字节码转换为具体机器指令执行（通过解释器或即时编译器）。

  3. 内存管理： 负责内存分配与回收（包含垃圾回收机制 GC）。

  4. 运行时支持： 提供线程管理、异常处理、安全控制等运行时功能。

核心组成 ​

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     ┌─────────────────────────────────────┐
     │             JVM                     │
     ├─────────────────────────────────────┤
     │ 类加载器                             │
     ├─────────────────────────────────────┤
     │ 运行时数据区                        │
     │ ├─ 方法区（MetaSpace）             │
     │ ├─ 堆（Heap）                      │
     │ ├─ 栈（JVM Stack）                 │
     │ ├─ 程序计数器                      │
     │ └─ 本地方法栈                      │
     ├─────────────────────────────────────┤
     │ 执行引擎                            │
     │ ├─ 解释器                          │
     │ ├─ JIT 编译器                      │
     │ └─ GC 垃圾回收器                   │
     ├─────────────────────────────────────┤
     │ 本地方法接口（JNI）                │
     └─────────────────────────────────────┘

类字节码加载 ​

java文件对应的类编译成.class后，将 .class 字节码文件加载到 JVM 内存中，形成 Class 对象。

类加载过程 ​

  1. 加载（Loading）： 通过类名找到 .class 文件并读取为字节码。

  2. 连接（Linking）：

    • 验证（Verify）： 确保类的字节码合法且符合 JVM 要求。

    • 准备（Prepare）： 分配静态变量的内存并初始化默认值。

    • 解析（Resolve）： 将符号引用转为直接引用。

  3. 初始化（Initialization）： 执行静态代码块、赋值语句。

一、类加载器类型 ​

jvm提供不同的类加载器类型，用于不同场景功能。遵循 双亲委派机制（Parent Delegation Model）。每个类都由某个类加载器加载，类的唯一性取决于：类名 + 类加载器。

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader） ​

%JAVA_HOME%/lib 目录下的核心类库，如：

java.lang.* java.util.* java.io.* java.net.*

启动类加载器加载的对象不在java层，加载的类类获取会返回null。

java
System.out.println(String.class.getClassLoader());  // 输出 null

原因说明：

  1. 启动早： Bootstrap ClassLoader 在 JVM 启动初期就存在，早于任何 Java 代码的执行。

  2. 基础安全性： 它加载的是最关键的核心类（如 java.lang.Object），必须可靠、安全、不可替换。

  3. 性能和兼容性： C/C++实现更接近底层，执行更高效，也方便 JVM 跨平台。

扩展类加载器（Extension ClassLoader） ​

  • 加载路径： %JAVA_HOME%/lib/ext 或由 java.ext.dirs 指定

  • 主要职责： 加载扩展功能类，如一些加密包、数据库驱动等

应用类加载器（App ClassLoader） ​

加载我们写的代码，也就是 classpath 下的类。

  • 加载路径： classpath 所指定的目录下的类（即你写的代码）

  • 主要职责: 加载应用程序开发者编写的类

自定义类加载器（可选） ​

自己继承 ClassLoader 并实现 findClass() 方法

  • 典型用途：

    • 实现热部署（如 Tomcat 的 WebAppClassLoader）

    • 插件系统

    • 字节码加密/解密

    • 沙箱隔离

双亲委派机制（Parent Delegation Model） ​

工作流程： 当类加载器尝试加载一个类时：

  1. 先委托其 父加载器 加载。

  2. 如果父类加载器无法加载（ClassNotFoundException），再自己尝试加载。

主要作用:

  1. 避免重复加载

  2. 避免核心类被篡改（如自己定义一个 java.lang.String 会被拦截）

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          [ Bootstrap ClassLoader ]
                    ↑
        [ Extension ClassLoader ]
                    ↑
          [ App ClassLoader ]
                    ↑
       [ Custom ClassLoader (自定义的) ]

二、运行时数据区（Runtime Data Areas） ​

JVM 在运行 Java 程序时，会在内存中划分出若干数据区，用于执行和管理数据。

1. 程序计数器（Program Counter Register） ​

  • 每个线程独有（线程私有）

  • 存储正在执行的字节码的地址

  • 如果正在执行 native 方法，则为空

2. Java虚拟机栈（JVM Stack） ​

  • 每个线程独有（线程私有）

  • 每个方法调用对应一个栈帧（Stack Frame）

  • 本地变量表（局部变量、参数）

  • 操作数栈（计算用）

  • 动态链接、方法返回地址等

  • 可能抛出 StackOverflowError

3. 本地方法栈（Native Method Stack） ​

  • 用于执行本地方法（如 C/C++ 写的 JNI 方法）

  • 不同 JVM 实现不同

  • 也可能抛出 StackOverflowError

4. 堆（Heap） ​

  • 所有线程共享

  • 对象实例与数组都在堆中分配

  • 垃圾回收（GC）主要工作区

  • 可能抛出 OutOfMemoryError

  • 划分为新生代（Eden、Survivor）和老年代

5. 方法区（Method Area） ​

  • 所有线程共享

  • 存储类的结构信息（类的元数据）、常量池、静态变量、JIT 编译代码

  • 在 HotSpot 中叫做 元空间（MetaSpace）（Java 8之后）

  • 可能抛出 OutOfMemoryError

三、执行引擎（Execution Engine） ​

负责执行字节码，转换为具体平台的机器码。

组成部分：

  1. 解释器（Interpreter）

    • 逐条解释执行字节码

    • 启动快，但运行慢

  2. 即时编译器（JIT，Just-In-Time Compiler）

    • 将热点代码编译为本地机器码，提升性能

    • 常用：C1（客户端模式）、C2（服务端模式）

  3. 执行子系统协调组件（执行调度、调用栈管理等）

    • 包括方法调用、返回、异常处理、线程切换、栈帧管理等。

四、本地接口（Native Interface） ​

作用：

  1. 提供与其他语言（如 C/C++）互操作的能力。

  2. 使用 JNI（Java Native Interface）

  3. 可以调用系统底层库或本地方法，如 OpenGL、数据库驱动等

  4. 本地方法也会用到本地方法栈

五、垃圾回收系统（GC Subsystem） ​

目标：

  • 自动管理内存，释放不再被引用的对象，避免内存泄漏。

常见策略：

  • 分代回收：将堆划分为新生代、老年代

  • Stop-The-World：GC过程会暂停应用线程

  • 多种GC算法适应不同业务场景（响应快 vs 吞吐量高）