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JVM 八股1 - 整体架构

codejavajvm八股约 2222 字大约 7 分钟

JVM

学习 JVM 可以帮助我们开发者更好地优化程序性能、避免内存问题

  • 了解 JVM 的内存模型和垃圾回收机制，可以帮助我们更合理地配置内存、减少 GC 停顿
  • 掌握 JVM 的类加载机制可以帮助我们排查类加载冲突或异常
  • JVM 还提供了很多调试和监控工具，可以帮助我们分析内存和线程的使用情况，从而解决内存溢出内存泄露等问题

所以主要内容：内存模型、垃圾回收机制、类加载机制、JVM 调试/监控 工具

什么是 JVM

JVM，也就是 Java 虚拟机，它是 Java 实现跨平台的基石

程序运行之前，需要先通过编译器将 Java 源代码文件编译成 Java 字节码文件；

程序运行时，JVM 会对字节码文件进行逐行解释，翻译成机器码指令，并交给对应的操作系统去执行

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这样就实现了 Java 一次编译，处处运行的特性

执行 Hello world 的流程

当我们写好一个 HelloWorld 程序，编译成 .class 文件后，执行 java HelloWorld 这条命令时

操作系统会创建一个 JVM 进程，JVM 进程启动起来后，会先初始化运行环境，包括创建类加载器、初始化内存空间、启动垃圾回收线程等等

接下来，JVM 的类加载器会去找 HelloWorld.class 这个文件，读取它的字节码内容

JVM 的执行引擎会将这些字节码翻译成机器码，有两种方式

  • 第一种是解释执行
    • JVM 的解释器会逐条读取字节码指令，然后把它翻译成机器码执行
    • 这个过程是动态的，每次执行都要翻译一遍。所以解释执行的速度相对较慢
  • 第二种是即时编译
    • JVM 里有一个 JIT 编译器，他发现某段代码被频繁执行（比如循环里的代码或者热点方法）时，JIT 编译器就会把这段字节码直接编译成本地机器码并缓存到 codeCache 中
    • 下次执行的时候不用再一行一行的解释，而是直接执行缓存后的机器码，执行效率会大幅提高

至于执行的时机

解释器的执行是立即的，当 JVM 启动后，就开始解释执行字节码了

JIT 编译器的执行时机是延后的，它需要先监控哪些代码是热点代码（通常需要执行数千次或者数万次），然后才会启动编译

操作系统层面，JVM 进程是一个执行单元，由操作系统调度执行

JVM 特性

  • JVM 可以自动管理内存，通过垃圾回收器回收不再使用的对象并释放内存空间
  • JVM 包含一个即时编译器 JIT，它可以在运行时将热点代码缓存到 codeCache 中，下次执行的时候不用再一行一行的解释，而是直接执行缓存后的机器码，执行效率会大幅提高
  • 任何可以通过 Java 编译的语言，比如说 Groovy、Kotlin、Scala 等，都可以在 JVM 上运行

JAVA 是解释性语言还是编译性语言

特性编译型语言（如C/C++）解释型语言（如Python、JavaScript）
执行方式直接编译成机器码，由CPU执行逐行解释执行，依赖解释器
运行速度快（直接运行机器码）较慢（需要实时解释）
跨平台性差（需针对不同平台编译）好（解释器适配不同系统）
典型代表C、C++、GoPython、Ruby、JavaScript

Java 兼具编译和解释的特性，属于“半编译半解释”的语言

Java程序的执行过程可以分为两个关键阶段：

  • 编译阶段（javac）：将.java源码编译成.class字节码（Bytecode）
  • 解释/编译执行阶段（JVM）：JVM加载字节码，解释执行或JIT编译优化

JVM 整体结构

JVM 本身就是操作系统里的一个进程

JVM 大致可以划分为三个部分：类加载器、运行时数据区和执行引擎

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  • 类加载器，负责从文件系统、网络或其他来源加载 Class 文件，将 Class 文件中的二进制数据读入到内存当中。
  • 运行时数据区，JVM 在执行 Java 程序时，需要在内存中分配空间来处理各种数据，这些内存区域按照 Java 虚拟机规范可以划分为方法区、堆、虚拟机栈、程序计数器和本地方法栈。
  • 执行引擎，也是 JVM 的心脏，负责执行字节码。它包括一个虚拟处理器、即时编译器 JIT 和垃圾回收器
JVM 进程启动
    │
    ├── main 线程      → 执行你的 Java 代码（main方法）
    │
    ├── GC 线程        → 垃圾回收
    │
    ├── JIT 编译线程   → 热点代码编译
    │
    └── 其他后台线程   → 各种内部任务

JVM 本质

JVM 本质上就是一个进程

当我们执行 java -jar application.jar 命令时，操作系统会创建一个名为 JVM 的进程

这个进程在内存里运行着一个虚拟机，这个虚拟机有自己的指令集、内存模型、执行引擎等等

当你执行 java MyClass 时：

  • 操作系统启动一个 JVM 进程 — 每个 Java 应用程序都运行在独立的 JVM 进程中
  • 进程内包含线程 — 主线程执行 main() 方法，应用可以创建更多线程
  • 进程有自己的内存空间 — JVM 的运行时数据区（堆、栈、方法区等）都在这个进程的地址空间内

可以通过 jps 或任务管理器看到每个 Java 应用对应的 JVM 进程。

例子 — Spring 项目启动

Spring 项目启动也是从 一个 main 线程开始：

@SpringBootApplication
public class Application {
  public static void main(String[] args) {
    SpringApplication.run(Application.class, args);  // main 线程执行
  }
}

启动过程中会创建更多线程：

main 线程（启动）
    │
    ├── 初始化 Spring 容器
    ├── 扫描、创建 Bean
    ├── 启动内嵌 Tomcat
    │
    └── 然后 main 线程阻塞等待（或结束）
         │
         └── Tomcat 线程池接管请求
              ├── http-nio-8080-exec-1
              ├── http-nio-8080-exec-2
              └── ...

JVM 与 操作系统关系

操作系统是底层，它直接控制硬件资源，比如 CPU、内存、磁盘、网络等。操作系统的工作就是把这些硬件资源分配给各个应用程序使用。

JVM 是运行在操作系统上的一个应用程序。

JVM 本身是一个进程，也就是说，从操作系统的角度看，JVM 就是一个普通的应用程序，并没有什么特别的。

操作系统不知道也不关心 JVM 里面运行的是什么，它只是按照进程管理的规则来管理 JVM 这个进程

如果运行两个独立的java程序

有几个虚拟机

每一个 Java 程序都需要一个独立的 JVM 进程来运行，两个 Java 程序就需要两个 JVM。这两个 JVM 进程是完全独立的，互不干扰

有没有单独的JVM进程存在

JVM 不存在什么公共的、被所有 Java 程序共享的进程。每一个 Java 程序都必须启动自己的 JVM 进程

启动一个hello world编译的时候，有几个进程

如果只是编译，不运行，至少有两个进程。

一个是 javac 的编译器进程，当执行 javac HelloWorld.java 时，操作系统会创建一个 javac 进程，这个进程会读取 .java 源文件，生成 .class 字节码文件，完成后 javac 进程就退出了

另一个是当前的 shell 进程，运行 javac 进程的终端，这是一直存在的

JVM什么时候启动

比如执行一条Java命令的时候对应一个进程，然后这个JVM虚拟机到底是不是在这个进程里面，还是说要先启动一个JVM虚拟机的进程

执行 java HelloWorld 时，操作系统启动的是 JVM 进程，JVM 作为进程启动后会立即加载并执行指定的 Java 程序。

不存在"先启动 JVM 虚拟机框架，再往里面放程序"的概念——JVM 进程就是承载你程序的实体。

Java 程序启动时至少有一个线程 — 主线程（main thread），它执行 main() 方法。

但 Java 程序通常不止一个线程：

JVM 进程
├── main 线程（执行 main()）
├── GC 线程（垃圾回收）
├── 编译器线程（JIT 编译）
└── 用户创建的线程（Thread、线程池等）

所以 Java 程序运行时是一个 JVM 进程 + 多个线程，不是单纯的"一个线程"

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