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与OS进程的关系
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JVM 本身就是一个普通的操作系统进程：JVM就是一个跑在 OS 之上的用户态程序（C/C++ 写的），当你执行
java Main时，操作系统启动了一个名为 java 的可执行文件。这个文件是编译好的机器码（主要是 C++ 写成的 HotSpot 虚拟机）。 -
Java 程序不是进程，JVM 进程里运行着 Java 程序。JVM 启动后，读取你的 .class 文件，把它视为“输入数据”，解析这些数据里的指令。
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Native Memory (本地内存)：这是操作系统分配给 JVM 进程的总内存地址空间。
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Java Heap：JVM 向 Native Memory 申请并管理的最大一块连续内存区域，用于存储所有的 Java 对象实例和数组。
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Java Stack (VM Stack)：存储 栈帧 (Stack Frame)。每个 Java 方法被调用时，都会创建一个栈帧，用来存放局部变量表（基本类型值、对象引用）、操作数栈、动态链接等。
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Native Method Stack：用于支持 native 方法（使用 C/C++ 编写的方法，如 JNI 调用）执行的栈。JVM 本身通常由 C++ 编写，当 Java 代码调用操作系统底层功能（如文件读写、网络 IO）时，必须通过 JNI (Java Native Interface) 进入 Native 层。
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JVM 的 Garbage Collection 功能是由 GC 线程实现的。GC 线程本质上是 JVM 内部的 C++ 线程。
JVM的运行时数据区域
以JDK 1.8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
- 元空间：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：
- 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
- 验证：检查字节码是否合法
- 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） - 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 - 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
Java 对象几乎都在堆上，引用变量通常在栈上。
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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，是一个在元空间的C++结构，与上文Class对象的klass_pointer指向的结构一样。
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实例数据（成员变量，如果是 Primitive Type 则保存值本身，如果是 Reference Type 则保存对象地址）
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对齐填充（JVM 要求对象大小必须是 8 的倍数）