JVM基础：Java 虚拟机模型

Java 虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）是 Java 技术体系的核心。它屏蔽了底层硬件和操作系统的差异，实现了“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere）的跨平台特性。要想深入掌握 Java 性能优化、排查线上问题，理解 JVM 的内部结构是必不可少的一环。

一、JVM 架构总览

JVM 是一种基于堆栈的虚拟机，主要由以下几个模块组成：

• 类加载子系统（Class Loader Subsystem）
• 运行时数据区（Runtime Data Areas）
• 执行引擎（Execution Engine）
• 本地接口（Native Interface）
• 垃圾回收系统（Garbage Collector）

下图是 JVM 的核心架构图：

        ┌────────────┐
        │ ClassLoader│
        └─────┬──────┘
              ↓
┌──────────────────────────┐
│      Runtime Data Area   │
│ ┌────────────┬─────────┐│
│ │Method Area │ Heap     ││
│ └────┬───────┴────┬────┘│
│      ↓            ↓     │
│ ┌────────┐ ┌──────────┐ │
│ │PC Reg. │ │Stack Frame││
│ └────────┘ └──────────┘ │
└──────────────────────────┘
              ↓
     ┌─────────────────┐
     │ Execution Engine│
     └─────────────────┘
              ↓
     ┌─────────────────┐
     │ Native Interface│
     └─────────────────┘
              ↓
     ┌─────────────────┐
     │ Native Libraries│
     └─────────────────┘

二、类加载子系统

类加载子系统负责从 .class 文件中读取字节码，并将其加载到内存中。加载的过程包括：

• 加载（Loading）
• 验证（Verification）
• 准备（Preparation）
• 解析（Resolution）
• 初始化（Initialization）

类加载器的类型：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载 rt.jar 等核心类库。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载 jre/lib/ext 目录下的类。
• 应用类加载器（App ClassLoader）：加载 classpath 下的类。

类加载机制遵循双亲委派模型，防止核心类被篡改。

三、运行时数据区

JVM 在运行时会划分出多个内存区域，用于存放不同类型的数据。

1. 方法区（Method Area）【共享】

• 存储类信息、常量池、字段、方法数据、JIT 编译后的代码等
• 在 HotSpot 中，1.8 之前由永久代（PermGen）实现，1.8 起被元空间（Metaspace）替代

2. 堆（Heap）【共享】

• 所有对象实例及数组的内存分配区
• 是垃圾回收的主要区域（Young、Old）
• 分代收集策略常见：新生代（Eden、Survivor）、老年代、永久代/元空间

3. Java 虚拟机栈（Java Stack）【线程私有】

• 每个线程有独立的栈，存储栈帧（方法调用信息）
• 包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等
• 如果栈空间不足可能抛出 StackOverflowError

4. 本地方法栈（Native Method Stack）【线程私有】

• 与 Java 栈类似，用于执行本地方法（Native 方法）
• HotSpot 虚拟机中 Java 栈和本地方法栈可以合并实现

5. 程序计数器（PC Register）【线程私有】

• 指示当前线程执行的字节码指令地址
• 每个线程一个独立的程序计数器，是线程切换的依据

四、执行引擎

执行引擎负责将字节码“翻译”为机器指令并执行：

核心组件：

• 解释器（Interpreter）：逐条解释执行字节码，启动速度快但效率低。

• 即时编译器（JIT Compiler）：将热点代码编译为机器码，提高执行效率。

  • 包括 C1（Client） 和 C2（Server）两种编译器。
  • 可通过 -XX:+PrintCompilation 查看 JIT 编译情况。

五、垃圾回收（GC）

JVM 使用 GC 自动管理内存。常见的垃圾收集器包括：

• Serial：单线程收集，适合小应用。
• Parallel（吞吐量优先）：多线程收集，适合后台任务。
• CMS（低停顿）：并发标记清除，适合响应时间敏感场景。
• G1：按 Region 管理，均衡延迟与吞吐量，JDK 9 起推荐。
• ZGC / Shenandoah：低延迟收集器，适合大内存、低延迟场景。

可以通过如下参数控制 GC 行为：

-XX:+UseG1GC
-XX:+PrintGCDetails
-Xmx4g -Xms4g

六、本地接口（Native Interface）

Java 有时需要调用操作系统底层函数或 C/C++ 写的库（如图形界面、IO 操作）。JVM 提供 JNI（Java Native Interface）机制，实现 Java 和本地代码的交互。