Java基础 - JVM

什么是JVM

Java的理念是：Write Once, Run Anywhere。Java编译器把 Java 程序编译成“字节码”（.class 文件），字节码可以在所有平台运行，这是JAVA特性之一。字节码是 JVM 能理解的“中间语言”，JVM可以把字节码翻译成你的电脑能理解的机器指令。因此只需要在不同的机器上安装适配不同架构的JVM，就可以实现 Write Once, Run Anywhere。

JVM的功能

• 跨平台运行
• 内存管理：JAVA帮助开发者垃圾回收，分配内存
• 性能优化：即时编译器（Just-In-Time ，JIT ），将热点代码（频繁执行的代码段）编译成本地机器码，以提高程序的执行性能
• 安全性：异常处理，类加载时字节码验证，沙箱环境等

JVM的运行时数据区域

以JDK 1.7为例，

• 线程私有的：
  • 程序计数器：当前线程执行的字节码位置
  • Java 虚拟机栈：每个线程的JAVA方法的“方法调用栈”，包含栈帧
  • 本地方法栈：给调用 C、C++ 等非 Java 方法（native 方法）用的栈
• 线程共享的
  • 堆：用来存储所有 Java 对象实例，由垃圾回收器（GC）统一管理
  • 方法区：用来存储类的元数据（类的信息、常量、静态变量、方法字节码等）。

类加载器

类加载器是指把类的字节码（通常是 .class 文件）加载到 JVM 的内存中，并生成相应的 Class 对象的工具。具体来说，类加载器把字节码（.class 文件）加载到 JVM 的方法区（Method Area）（Java 8 之后是 元空间（Metaspace）），然后在堆中创建一个 Class 对象来存储类的信息，方便反射操作。

类并不是一开始就全部加载。类加载器可以按需加载：当你第一次使用某个类时，它才去加载它。

public class Person {
    static List<String> list = new ArrayList<>();

    static {
        System.out.println("Person 类被初始化");
    }

    int age = 20;

    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello");
    }
}

根据以上的例子，类加载器执行过程：

1. 加载：类加载器通过类的名字 Person 找到 Person.class 文件，将 .class 文件的字节码加载到 JVM，并在堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象作为数据访问的入口
2. 验证：检查字节码是否合法
3. 准备：为静态变量（List<String> list）分配内存，并赋初始值 null（此时静态变量只是占位，还没初始化）
4. 解析：将符号引用替换为直接引用，比如将System.out.println方法名解析为真正的内存地址
5. 初始化：执行静态代码块，给静态变量赋值（这里的list变量本身在方法区，指向的HashMap对象实例在堆里创建）

Class对象

public final class Class {
    private Class() {}
}

比如，当JVM加载String类时，会执行Class cls = new Class(String);在堆中创建Class对象。这个对象包含类名、包名、父类、实现的接口、所有方法、字段等对应class的所有信息。内存分布：

Java 堆：
┌────────────────────────────┐
│ Class<Person> clazz        │
│ ── name: "Person"          │
│ ── loader: AppClassLoader  │
│ ── klass_pointer →────────────┐
└────────────────────────────┘  │
                                |
方法区（Metaspace）：              ▼
┌────────────────────────────┐
│ Class Metadata (Klass*)    │
│ ── className: "Person"     │
│ ── superClass: java.lang.Object
│ ── interfaces: ...         │
│ ── methods[]: sayHello()   │
│ ── fields[]: name          │
│ ── constantPool: ...       │
│ ── annotations: ...        │
└────────────────────────────┘

JAVA对象在内存中的结构

1. 对象头
   包含：

• 标记字段（Mark Word）：指向哈希码（HashCode）、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID等。
• 类型指针（Klass pointer）：指向类的元数据，是一个在方法区的C++结构，与上文Class对象的klass_pointer指向的结构一样。

2. 实例数据

3. 对齐填充