《JVM虛擬機(jī)》課件：深入理解Java虛擬機(jī)原理

JVM虛擬機(jī)：深入理解Java虛擬機(jī)原理本課程將深入講解Java虛擬機(jī)（JVM）的原理，幫助您理解Java代碼的執(zhí)行過程，以及如何進(jìn)行性能優(yōu)化和問題排查。課程大綱11.Java虛擬機(jī)概述22.類加載子系統(tǒng)33.執(zhí)行引擎44.內(nèi)存管理子系統(tǒng)55.垃圾回收機(jī)制66.性能優(yōu)化與調(diào)優(yōu)77.應(yīng)用程序診斷為什么學(xué)習(xí)JVM虛擬機(jī)更深入理解Java了解JVM工作原理可以更透徹地理解Java語言的運(yùn)行機(jī)制，并能更好地編寫高性能、穩(wěn)定可靠的Java程序。提升代碼性能掌握J(rèn)VM調(diào)優(yōu)技巧，可以優(yōu)化程序性能，減少內(nèi)存占用，提高程序運(yùn)行效率。解決問題的能力學(xué)會(huì)分析JVM運(yùn)行時(shí)的各種問題，如內(nèi)存泄漏、CPU占用過高、死鎖等，并能快速定位問題根源。Java語言的特點(diǎn)跨平臺(tái)性Java代碼可以通過JVM在不同的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了"一次編寫，到處運(yùn)行"的特性。面向?qū)ο驤ava是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，支持封裝、繼承、多態(tài)等特性，提高了代碼的可重用性和可維護(hù)性。安全可靠Java的安全性機(jī)制可以防止惡意代碼入侵，并提供安全的環(huán)境來運(yùn)行應(yīng)用程序。豐富生態(tài)Java擁有龐大的開源社區(qū)和豐富的庫(kù)，為開發(fā)者提供了強(qiáng)大的支持。Java虛擬機(jī)的發(fā)展歷程11.01995年，第一個(gè)版本的JVM發(fā)布，標(biāo)志著Java跨平臺(tái)時(shí)代的到來。21.11997年，引入內(nèi)部類和反射機(jī)制，增強(qiáng)了語言的靈活性和擴(kuò)展性。31.21998年，加入垃圾回收機(jī)制，提升了內(nèi)存管理效率。41.31999年，優(yōu)化了性能，并引入了HotSpot虛擬機(jī)。51.42002年，推出了assert機(jī)制和NIO庫(kù)，增強(qiáng)了開發(fā)效率和網(wǎng)絡(luò)編程能力。65.02004年，Java語言規(guī)范更新，支持泛型和枚舉等新特性。76.02006年，推出了新的語法特性，如動(dòng)態(tài)語言支持和并發(fā)編程模型。87.02011年，引入了新的垃圾回收器G1，并增強(qiáng)了安全性。98.02014年，推出了新的語言特性，如Lambda表達(dá)式和StreamAPI，提升了代碼簡(jiǎn)潔性。109.02017年，引入了模塊化系統(tǒng)，提升了代碼組織和管理效率。1111.02020年，推出了新的垃圾回收器ZGC，進(jìn)一步提高了垃圾回收效率。Java虛擬機(jī)的架構(gòu)類加載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載、連接和初始化類文件。執(zhí)行引擎負(fù)責(zé)執(zhí)行字節(jié)碼指令，完成代碼的實(shí)際運(yùn)行。內(nèi)存管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理Java程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存空間，包括分配、回收等操作。本地方法接口提供與本地方法交互的機(jī)制，允許Java程序調(diào)用其他語言編寫的代碼。類加載子系統(tǒng)加載將class文件加載到內(nèi)存，并將其轉(zhuǎn)化為方法區(qū)中的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。1連接驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析三個(gè)步驟，確保加載的類文件符合規(guī)范，并為其分配內(nèi)存。2初始化執(zhí)行類構(gòu)造器方法clinit，完成類的初始化。3類加載器引導(dǎo)類加載器負(fù)責(zé)加載rt.jar等核心庫(kù)，是所有類加載器的父加載器。擴(kuò)展類加載器負(fù)責(zé)加載jre/lib/ext目錄下的擴(kuò)展庫(kù)。應(yīng)用程序類加載器負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（classpath）下的應(yīng)用程序類。雙親委派機(jī)制1.請(qǐng)求加載類應(yīng)用程序類加載器首先嘗試加載請(qǐng)求的類。2.委托父類加載器如果應(yīng)用程序類加載器無法加載，則委托父類加載器，即擴(kuò)展類加載器。3.最終委托引導(dǎo)類加載器如果擴(kuò)展類加載器也無法加載，則最終委托引導(dǎo)類加載器進(jìn)行加載。虛擬機(jī)類加載過程1.加載將class文件加載到內(nèi)存，并轉(zhuǎn)化為方法區(qū)中的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.驗(yàn)證驗(yàn)證class文件的格式和語義，確保其符合Java規(guī)范。3.準(zhǔn)備為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并賦予默認(rèn)值。4.解析將常量池中的符號(hào)引用替換為直接引用。5.初始化執(zhí)行類構(gòu)造器方法clinit，完成類的初始化。執(zhí)行引擎1解釋器逐行解釋執(zhí)行字節(jié)碼指令。2即時(shí)編譯器將熱點(diǎn)代碼編譯為機(jī)器碼，提高執(zhí)行效率。3本地方法接口與本地方法庫(kù)交互，調(diào)用其他語言編寫的代碼。解釋器和即時(shí)編譯器解釋器解釋器逐行解釋執(zhí)行字節(jié)碼指令，速度較慢，但啟動(dòng)速度快，適用于執(zhí)行非熱點(diǎn)代碼。即時(shí)編譯器即時(shí)編譯器將熱點(diǎn)代碼編譯為機(jī)器碼，執(zhí)行效率更高，但啟動(dòng)速度較慢，適用于執(zhí)行熱點(diǎn)代碼。即時(shí)編譯器的優(yōu)化1方法內(nèi)聯(lián)將方法調(diào)用替換為方法體代碼，減少方法調(diào)用開銷。2公共子表達(dá)式消除將重復(fù)計(jì)算的表達(dá)式提取出來，只計(jì)算一次。3循環(huán)優(yōu)化優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu)，減少循環(huán)次數(shù)。4死代碼消除刪除永遠(yuǎn)不會(huì)執(zhí)行的代碼。內(nèi)存管理子系統(tǒng)1程序計(jì)數(shù)器記錄當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼指令地址。2Java虛擬機(jī)棧存放方法執(zhí)行時(shí)的局部變量、操作數(shù)棧等信息。3本地方法棧用于執(zhí)行本地方法，與Java虛擬機(jī)棧類似。4Java堆存放所有對(duì)象的實(shí)例。5方法區(qū)存放類的信息、常量池等。運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值為空（undefined）。Java虛擬機(jī)棧Java虛擬機(jī)棧是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用開始到執(zhí)行結(jié)束的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。本地方法棧本地方法棧與Java虛擬機(jī)棧非常類似，區(qū)別是本地方法棧為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。如果虛擬機(jī)采用的是C語言實(shí)現(xiàn)，那么該方法棧通常是用C語言中的棧實(shí)現(xiàn)。程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值為空（undefined）。Java虛擬機(jī)棧Java虛擬機(jī)棧是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用開始到執(zhí)行結(jié)束的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。本地方法棧本地方法棧與Java虛擬機(jī)棧非常類似，區(qū)別是本地方法棧為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。如果虛擬機(jī)采用的是C語言實(shí)現(xiàn)，那么該方法棧通常是用C語言中的棧實(shí)現(xiàn)。Java堆Java堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此也被稱為GC堆（GarbageCollectedHeap）。方法區(qū)和運(yùn)行時(shí)常量池方法區(qū)是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。它也被稱為"永久代"（PermanentGeneration）或Non-Heap（非堆）。垃圾回收機(jī)制垃圾回收（GarbageCollection，GC）是Java虛擬機(jī)（JVM）中的一種機(jī)制，用于回收不再被使用的對(duì)象所占用的內(nèi)存空間，防止內(nèi)存泄漏。垃圾回收機(jī)制是Java虛擬機(jī)自動(dòng)進(jìn)行的，不需要程序員手動(dòng)干預(yù)。常見的垃圾回收算法標(biāo)記-清除算法該算法首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，然后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象。復(fù)制算法該算法將內(nèi)存空間分為兩個(gè)區(qū)域，每次只使用其中一個(gè)區(qū)域，當(dāng)這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存用完后，將存活的對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)區(qū)域，然后將第一個(gè)區(qū)域清空。該算法適合對(duì)象存活率較低的情況。標(biāo)記-整理算法該算法與標(biāo)記-清除算法類似，但是它會(huì)將所有存活的對(duì)象都移動(dòng)到內(nèi)存空間的一端，然后清理掉邊界之外的內(nèi)存空間。該算法適合對(duì)象存活率較高的情況。分代收集算法該算法將內(nèi)存空間分為不同的代，例如年輕代和老年代，根據(jù)不同代的特點(diǎn)使用不同的垃圾回收算法。該算法是目前主流的垃圾回收算法。分代垃圾回收分代收集算法是目前主流的垃圾回收算法。該算法將內(nèi)存空間分為不同的代，根據(jù)不同代的特點(diǎn)使用不同的垃圾回收算法。例如，年輕代通常使用復(fù)制算法，老年代通常使用標(biāo)記-整理算法。垃圾收集器垃圾收集器是垃圾回收機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)。Java虛擬機(jī)提供了多種垃圾收集器，例如Serial、Parallel、CMS、G1等。不同的垃圾收集器有不同的特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)景。例如，Serial收集器簡(jiǎn)單高效，適用于單核CPU的系統(tǒng)，Parallel收集器并行處理，適用于多核CPU的系統(tǒng)，CMS收集器追求低停頓，適用于用戶交互式的應(yīng)用程序。吞吐量收集器吞吐量收集器（ThroughputCollector）是并行收集器的一種，它追求盡可能地提高應(yīng)用程序的吞吐量。吞吐量指的是應(yīng)用程序運(yùn)行期間CPU時(shí)間用于執(zhí)行用戶代碼的比例。吞吐量收集器通常會(huì)選擇更快的垃圾回收算法，并盡量減少垃圾回收的時(shí)間。它適合于后臺(tái)任務(wù)或批量處理的應(yīng)用程序。并發(fā)收集器并發(fā)收集器（ConcurrentCollector）是一種與應(yīng)用程序線程并行執(zhí)行的垃圾回收器，它可以減少應(yīng)用程序的停頓時(shí)間。并發(fā)收集器通常會(huì)使用更復(fù)雜的垃圾回收算法，以便在垃圾回收的同時(shí)，應(yīng)用程序線程也能繼續(xù)執(zhí)行。它適合于用戶交互式的應(yīng)用程序，例如Web服務(wù)器。G1垃圾收集器G1垃圾收集器是一種并行、并發(fā)的垃圾收集器，它可以實(shí)現(xiàn)低停頓的同時(shí)，又能保證較高的吞吐量。G1垃圾收集器可以根據(jù)應(yīng)用程序的實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整垃圾回收策略，并根據(jù)需要進(jìn)行壓縮整理，減少內(nèi)存碎片。性能優(yōu)化的原理性能優(yōu)化是指通過調(diào)整應(yīng)用程序或系統(tǒng)配置，以提高應(yīng)用程序的性能。性能優(yōu)化的目標(biāo)是減少程序的運(yùn)行時(shí)間、內(nèi)存占用或提高程序的吞吐量。性能優(yōu)化可以從代碼層面、硬件層面、系統(tǒng)配置層面等多個(gè)角度進(jìn)行。JVM調(diào)優(yōu)常用工具Java虛擬機(jī)（JVM）調(diào)優(yōu)是指通過調(diào)整JVM參數(shù)，以優(yōu)化應(yīng)用程序的性能。JVM參數(shù)可以控制垃圾回收算法、內(nèi)存分配策略、線程池大小等。JVM調(diào)優(yōu)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，需要根據(jù)應(yīng)用程序的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。JMX管理與監(jiān)控JMX（JavaManagementExtensions）是一種Java管理框架，它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的方式來管理和監(jiān)控Java應(yīng)用程序。JMX可以用來監(jiān)控應(yīng)用程序的運(yùn)行狀態(tài)，例如CPU占用率、內(nèi)存使用率、線程狀態(tài)等。JMX還可以用來控制應(yīng)用程序的行為，例如調(diào)整垃圾回收策略、修改配置等。JConsole和VisualVMJConsole和VisualVM是兩個(gè)常用的JMX監(jiān)控工具。JConsole是一個(gè)簡(jiǎn)單的監(jiān)控工具，它可以顯示應(yīng)用程序的運(yùn)行狀態(tài)，例如內(nèi)存使用率、線程狀態(tài)等。VisualVM是一個(gè)功能更強(qiáng)大的監(jiān)控工具，它可以提供更詳細(xì)的信息，例如內(nèi)存分配情況、垃圾回收日志等。jstat和jmap命令jstat和jmap是兩個(gè)常用的JVM命令行工具。jstat可以用來監(jiān)控JVM的運(yùn)行狀態(tài)，例如垃圾回收信息、內(nèi)存使用情況、線程狀態(tài)等。jmap可以用來查看JVM的內(nèi)存映射，例如堆內(nèi)存、方法區(qū)等。性能調(diào)優(yōu)實(shí)戰(zhàn)性能調(diào)優(yōu)是一個(gè)復(fù)雜的工程，需要結(jié)合具體的應(yīng)用程序和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。以下是一些常見的性能優(yōu)化方法：內(nèi)存泄露排查內(nèi)存泄露是指應(yīng)用程序不再使用的內(nèi)存無法被回收，造成內(nèi)存浪費(fèi)。內(nèi)存泄露通常是由代碼錯(cuò)誤引起的，例如未釋放資源、循環(huán)引用等。可以通過內(nèi)存分析工具和代碼審查等方式來排查內(nèi)存泄露。CPU占用過高分析CPU占用過高通常是由代碼效率低下、死循環(huán)、線程競(jìng)爭(zhēng)等原因引起的。