JVM 的定义和作用

JVM的定义和作用

JVM (Java Virtual Machine) 即Java程序运行的环境, 它是Java平台的核心

graph LR
    A[Java 源代码] -->|编译| B[字节码]
    B -->|运行| C[JVM]
    C -->|解释/编译| D[机器码]
    D -->|执行| E[硬件]

JVM的主要作用

实现跨平台: 一次编写, 到处运行
自动内存管理
提供安全机制

JVM的整体架构

在首页我们也看到了, JVM由以下几部分组成

graph TD
    A[JVM] --> B[类加载子系统]
    A --> C[运行时数据区]
    A --> D[执行引擎]
    A --> E[本地方法接口]
    C --> F[方法区]
    C --> G[堆]
    C --> H[Java 栈]
    C --> I[PC 寄存器]
    C --> J[本地方法栈]
    D --> K[解释器]
    D --> L[JIT 编译器]
    D --> M[垃圾回收器]

类加载子系统

类加载是JVM将类的字节码加载到内存, 并对数据进行校验, 转换解析和初始化, 最终形成JVM可以直接使用的Java类型的过程

graph LR
    A[加载] --> B[连接]
    B --> C[验证]
    B --> D[准备]
    B --> E[解析]
    E --> F[初始化]

加载: 查找并读取类文件, 创建Class对象
连接:
- 验证: 确保加载的类信息符合 JVM 规范
- 准备: 为静态变量分配内存并设置初始值
- 解析: 将符号引用转换为直接引用
初始化: 执行静态初始化块，初始化静态变量

这个流程具体是什么样呢?

首先在加载的过程, JVM通过类的全限定名, 又叫全类名(从你的根包开始的类路径)找到类文件, 然后将类文件字节流读入内存, 到内存中之后, 会将静态存储结构转化为接下来方法区需要运行时的数据结构, 紧接着在堆区中生成一个代表你这个类的java.lang.Class对象.

紧接着, 开始进行连接, 链接前需要进行验证, 保证第一步类文件的字节流包含的信息符合规范, 你得符合虚拟机的要求, 格式正确且不会危害虚拟机自身安全, 验证的信息主要包括文件格式, 元数据, 字节码, 符号引用的验证, 在验证之后, 会进入准备阶段, 也就是为类当中变量(static变量)分配内存并设置初始值, 准备好之后便开始解析, 解析是什么的, 就是将常量池内的符号引用替换为直接引用

这些工作都做好之后, 便会进行初始化, 包括执行类构造器(()方法,这个我不太清楚), 然后为类的静态变量赋予正确的初始值

运行时数据区

graph TD
    A[运行时数据区] --> B[方法区]
    A --> C[堆]
    A --> D[Java 栈]
    A --> E[PC 寄存器]
    A --> F[本地方法栈]
    B --> G[类信息]
    B --> H[常量]
    B --> I[静态变量]
    C --> J[对象实例]
    D --> K[局部变量表]
    D --> L[操作数栈]
    D --> M[动态链接]
    D --> N[方法出口]

方法区: 存储类结构信息, 常量, 静态变量等
- 存储已被虚拟机加载的类信息, 常量, 静态变量, 即时编译器编译后的代码等数据
- JDK8之后也被称为元空间, 那之前呢? 我查了下叫什么的都有, 叫永久代的多一点
堆: 存储对象实例, 是垃圾收集器管理的主要区域
- Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块
- 所有的对象实例以及数组都在堆上分配
- GC的主要区域
- 可以处于物理上不连续的内存空间中
Java栈: 每个线程私有, 存储局部变量, 部分结果等
- 每个线程都有自己的Java栈, 与线程同时创建
- 存储局部变量表, 操作数栈, 动态连接, 方法出口等信息
- 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型, 对象引用
- 每个对象从调用直至执行完成的过程, 就对应着一个栈帧在Java栈中入栈到出栈的过程
PC寄存器: 存储当前线程执行的字节码行号
- 每个线程都有一个PC寄存器
- 记录当前线程执行的字节码的行号指示器
本地方法栈: 为本地方法服务
- 与Java栈类似, 但它是为虚拟机使用的Native方法服务的

执行引擎

执行引擎负责执行字节码

graph TD
    A[执行引擎] --> B[解释器]
    A --> C[JIT 编译器]
    A --> D[垃圾回收器]

解释器
- 逐条解释字节码并执行
- 优点是立即执行, 缺点是执行效率较低
JIT(Just-In-Time)编译器
- 将热点代码编译成本地机器码
- 优点是执行效率高, 缺点是需要编译时间
GC垃圾回收器
- 自动管理Java堆内存
- 主要算法包括标记-清楚, 复制, 标记-整理, 分代收集等

关于垃圾回收我还记得的是什么, 一开始正常执行, 放入新生代, 然后执行一段时间, 栈满了, 执行垃圾回收, 然后仍然存活的新生代会被放入存活区, 之后再满, 但是存活区也会加入垃圾回收, 经历多次垃圾回收还活着的, 会被放入老年代, 好像差不多是这样, 我找了个案例

public class GCExample {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            Object obj = new Object();
            // obj 在这里失去引用，成为垃圾
        }
        System.gc(); // 建议 JVM 进行垃圾回收
    }
}

在这个例子中, 循环创建了大量的 Object 实例，这些对象很快就失去了引用。这些对象首先在 Eden 区被创建。当 Eden 区满时，会触发 Minor GC，存活的对象会被移动到 Survivor 区。如果对象在 Survivor 区经历了足够多次的 GC 仍然存活，它们会被提升到老年代。System.gc() 会被建议 JVM 进行垃圾回收，但不保证立即执行。

栈为什么会满, 很简单:

public class StackOverflowExample {
    public static void recursiveMethod() {
        recursiveMethod(); // 无限递归调用
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        recursiveMethod();
    }
}

因为每次方法调用都会在栈上创建一个新的栈帧, 无线递归会导致栈空间被消耗殆尽, 最终抛出StackOverflowError

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