【技术积累】Java中的JVM【一】_Java教程

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什么是JVM

JVM英文全称为Java Virtual Machine，中文意为Java虚拟机。JVM是一种能够执行Java语言编写的程序的虚拟机器，它首次作为Java语言的一部分，后来又被移植到了许多平台上。

JVM可以执行Java字节码，即Java源代码经过编译后生成的二进制中间代码。JVM根据字节码指令来执行程序，这就使得Java程序跨平台，在不同的操作系统上运行时不需要修改源代码。JVM本身也是跨平台的，因为JVM实际上就是使用底层机器代码实现的软件层，因此只需安装相应平台的JVM即可。

JVM的主要组件包括：

类加载器：负责将.class二进制文件转换为在运行时可以被JVM识别的类对象。
运行时数据区：包括方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆等。Java程序在运行时需要占用这些区域中的内存。
执行引擎：负责执行字节码指令。
本地方法接口：使得Java程序可以调用本地方法，也就是使用C或C++重新编写的底层程序。

JVM为Java语言提供了许多高级特性，这些特性包括垃圾回收、异常处理、线程控制和动态代码加载。因此，JVM是许多Java开发者不可缺少的工具，也是Java语言的核心组件之一。

JVM是如何执行Java程序的？

JVM（Java Virtual Machine）是Java程序的运行环境，负责将Java代码转换为机器可以执行的代码。JVM执行Java程序的过程如下：

读取并解析字节码文件：JVM读取.class文件并将其解析为JVM可以理解的指令集。这些指令被存储在方法区（Method Area）中。
加载类：JVM根据程序需要动态地加载类。当需要使用某个类时，JVM会检查该类是否已经加载过，如果没有则JVM会从文件系统或网络中加载该类。
程序计数器指向当前指令：JVM中的程序计数器（Program Counter）指向当前正在执行的指令。在执行指令之前，程序计数器先指向该指令的地址。
执行指令集：JVM通过解释器或即时编译器来执行指令集。解释器逐条解释指令并执行，而即时编译器将整段指令编译成本地代码后再执行。执行指令集时，JVM还需要进行内存分配、垃圾回收等操作。
程序计数器指向下一条指令：执行完一条指令后，程序计数器会指向下一条指令的地址。这个过程不断循环，直到程序结束或异常抛出。

总之，JVM负责将Java程序转换成机器可以执行的代码，并提供运行时环境。JVM的执行过程中，会加载类、解释和执行指令集、内存分配和垃圾回收等操作。

什么是JIT编译器？

JIT（Just-In-Time）编译器是一种动态编译器，它在程序运行时将字节码翻译为本地机器代码。在JIT编译器中，代码被逐行解释器执行，当某些代码被频繁调用时，JIT编译器将这些代码编译成本地机器代码以提高执行效率。这种编译方式可以使程序在第一次运行时速度较慢，但在后续运行时速度会显著提高。JIT编译器常用于Java虚拟机等动态语言环境中。

JVM的内存模型是什么样子的？

JVM的内存模型是基于Java程序运行时内存的管理结构，主要分为以下几个部分：

程序计数器：每个线程都有一个程序计数器，用于记录当前线程执行的字节码行号。
虚拟机栈：每个线程都有一个虚拟机栈，用于存储方法执行时的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回值等信息。
堆：JVM运行时动态分配的内存区域，用于存储Java对象和数组。
方法区：用于存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
本地方法栈：与虚拟机栈类似，用于存储本地方法的信息。

在JVM中，堆是唯一一个被所有线程共享的内存区域，而每个线程都有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。同时，方法区也是被所有线程所共享的。JVM的内存模型为Java程序提供了良好的内存管理机制，能够有效地提高程序的性能和安全性。

什么是垃圾回收器？

JVM中的垃圾回收器是一种自动内存管理机制，它负责回收在程序中不再被使用的对象，并将这些内存释放回给操作系统。垃圾回收器通过扫描引用关系来确定哪些内存是“垃圾”，并将其标记为可回收。它可以大大减少程序员手动释放内存的工作量，提高程序的安全性和可靠性，但也会在一定程度上影响程序的性能。JVM中有很多不同类型的垃圾回收器，例如标记清除垃圾回收器、复制垃圾回收器、标记整理垃圾回收器等。这些垃圾回收器有不同的实现方式和适用场景，程序员需要根据需求选择合适的垃圾回收器。

下面是一个使用Java语言的代码示例，演示垃圾回收器如何回收无用对象。

public class GarbageCollectionExample {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建一个对象
    Person p = new Person();
    
    // 将对象设置为null，表示不再引用该对象
    p = null;
    
    // 垃圾回收器会在这里回收无用对象
  }
}

class Person {
  // 将在这里添加Person类的属性和方法
}

在上述示例中，创建了一个名为Person的类，并实例化了一个对象p。然后将p设置为null，表示不再引用该对象。当垃圾回收器检测到该对象没有任何引用变量引用时，就会回收该对象并释放其占用的内存。

JVM中什么是强引用、软引用、弱引用、虚引用？

JVM中的四种引用类型：

强引用（Strong Reference）：指向对象的引用，即使内存不足，JVM也不会回收被强引用关联的对象。强引用通常使用普通的Java对象引用来定义。

软引用（Soft Reference）：软引用关联的对象会在内存不足的情况下被回收，也就是说只有当JVM发现一个对象只有软引用关联时，才会在内存不足时清除该对象。软引用通常使用SoftReference来定义。

弱引用（Weak Reference）：弱引用关联的对象在JVM进行垃圾回收时，无论内存是否充足都会被回收。弱引用通常使用WeakReference来定义。

虚引用（Phantom Reference）：虚引用关联的对象与弱引用关联对象的回收时机相同，但是虚引用必须和一个引用队列（ReferenceQueue）一起使用。虚引用通常使用PhantomReference来定义。

public class ReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 强引用
        Object strongRef = new Object();

        // 软引用
        SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());

        // 弱引用
        WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());

        // 虚引用
        ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference<Object> phanRef = new PhantomReference<>(new Object(), refQueue);

        // 尝试回收
        System.gc();

        // 判断是否回收成功
        System.out.println(strongRef);
        System.out.println(softRef.get());
        System.out.println(weakRef.get());
        System.out.println(phanRef.get());
    }
}

JVM如何加载和查找类文件？

JVM加载和查找类文件的过程如下：

1.类加载器的工作：JVM负责从文件系统、JAR包或网络中加载类文件，并交给类加载器去加载。类加载器通常有四种：

引导类加载器：负责加载JVM自身需要的类，如java.lang包中的类。
扩展类加载器：负责加载JRE的扩展目录中的类。
应用程序类加载器：负责加载应用程序中的类。
用户自定义类加载器：负责加载用户自定义的类。

2.类文件的查找：类加载器会按照类的完全限定性类名（Fully Qualified Class Name，FQCN）去查找类文件。类的FQCN即包名+类名。

3.类文件的加载：当类加载器找到并读取了类文件后，JVM会根据类文件的结构创建一个表示该类的Class对象，并将其存放在JVM内部的方法区中，即类的元数据区。这个Class对象包含了该类的所有信息，如类名、类的修饰符、字段、方法等。

4.类的初始化：当类文件被加载后，JVM并不立即执行静态代码块和静态变量的默认初始化赋值，而是等待需要被初始化类的首次主动使用时才执行。

5.类的链接：为了使类能够正确执行，JVM需要对类进行链接。链接分为三个阶段：

验证（Verification）：验证类文件是否符合JVM规范。包括文件格式、字节码验证、符号引用验证、访问权限验证等。
准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并设置默认初值。
解析（Resolution）：将类的符号引用解析为直接引用（如类或接口的全限定名解析为该类或接口的Class对象引用）。

6.类的使用：当一个类被加载、链接和初始化后，就可以被使用了。类的使用包括创建对象、调用方法、访问静态变量、执行静态代码块等。

JVM的性能调优需要注意哪些点？

JVM的性能调优需要注意以下几个点：

堆内存设置：JVM的堆大小设置对系统的性能影响很大，应该根据实际情况进行适当的调整。
垃圾回收设置：垃圾回收机制对系统的性能影响也非常大，应该根据应用的负载情况和内存使用情况进行适当的调整。
线程池设置：线程池的大小设置影响系统的并发能力和性能，应根据实际情况进行适当调整。
JVM参数设置：JVM提供了很多配置参数，如内存分配、GC算法和堆大小等，应根据实际情况进行适当调整。
应用代码优化：应用的代码质量和设计对系统的性能也有影响，应该进行优化以提高系统的性能。
系统资源配置：系统的硬件资源配置也对系统的性能有较大的影响，应根据实际情况进行适当的调整。

如何监控JVM的运行状态？

可以通过以下几种方式来监控JVM的运行状态：

JVisualVM：JVisualVM是一个监控和分析JVM的工具，可以查看内存使用、线程状态、GC情况、类加载等信息。需要在JDK的bin目录下执行jvisualvm命令启动。
jstat：jstat是JVM自带的监控工具，可以查看JVM的堆、非堆内存使用情况、GC情况等。通过命令行方式运行。
JMX：JMX是Java Management Extension的简称，可以通过JMX接口来监控和管理Java应用程序。可以使用JConsole等工具查看JVM的运行状况。
第三方工具：如AppDynamics、New Relic等都是常用的监控工具，可以通过集成agent来监控JVM的运行状态。

JVM如何保证Java程序的安全性？

JVM（Java虚拟机）可以保证Java程序的安全性，主要体现在以下几个方面：

类加载机制：JVM在程序运行时会将需要的类加载到内存中，并进行校验、解析和初始化，确保类的可靠性和正确性。如果类有被篡改或不正确的地方，JVM在加载时会直接抛出异常，防止不安全的代码被执行。
内存管理：JVM会提供内存分配、回收和访问保护等功能，防止程序出现内存泄露或越界访问等安全问题。
安全管理器：JVM可以通过安全管理器（Security Manager）实现对Java程序进行访问控制，限制程序对系统资源的访问，防止恶意代码执行或对系统造成危害。
字节码校验：在将Java代码编译成字节码之前，编译器会对代码进行各种检查，检验其是否符合Java语言规范和安全要求。JVM在执行字节码时会再次对其进行验证，确保代码的安全性。
安全沙箱：JVM还提供了安全沙箱（Security Sandbox）机制，将Java程序运行在一个独立的安全环境中，能够限制其对文件系统、网络等系统资源的访问，从而防止恶意代码对系统的攻击。