Java 虚拟机概述
Java 虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）是 Java 技术的核心组件，它是一个抽象的虚拟计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现 Java 程序的跨平台运行，JVM 负责将 Java 字节码转换为特定机器平台的机器码，并管理程序的执行过程、内存分配和垃圾回收等关键任务，作为“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere）理念的实现基础，JVM 屏蔽了不同操作系统和硬件的差异，为 Java 程序提供了统一的运行环境。
JVM 的内存结构
JVM 的内存结构是理解其工作机制的基础，主要分为线程私有区和线程共享区两大类。
线程私有区
- 程序计数器（PC Register）：一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码行号指示器，在 Java 虚拟机规范中，唯一没有规定任何
OutOfMemoryError情况的区域。 - 虚拟机栈（JVM Stack）：存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每个方法在执行时会创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧随着方法的调用而入栈，随着方法的结束而出栈，栈深度过大时会抛出
StackOverflowError，栈内存不足时则抛出OutOfMemoryError。 - 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈类似，但为虚拟机使用到的
native方法（非 Java 语言实现的方法）服务，HotVM 虚拟机将虚拟机栈和本地方法栈合二为一。
线程共享区
- 堆（Heap）：Java 内存管理中最大的一块区域，所有线程共享，用于存储对象实例和数组，JVM 规定堆中必须实现自动内存管理（即垃圾回收），堆内存不足时会抛出
OutOfMemoryError。 - 方法区（Method Area）：用于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缓存等数据，HotVM 中的元空间（Metaspace）取代了永久代（PermGen），使用本地内存，避免了永久代的
OutOfMemoryError问题。 - 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：是方法区的一部分，用于存放编译期生成的字面量符号引用，也可在运行时将新的常量放入池中，如
String的intern()方法。
垃圾回收机制
垃圾回收（Garbage Collection，GC）是 JVM 自动管理内存的核心机制，主要针对堆和方法区中的无用对象进行回收，避免内存泄漏。
垃圾回收的判定算法
- 引用计数法：为每个对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加 1；引用失效时减 1，计数器为 0 时即判定为垃圾，但无法解决循环引用问题。
- 可达性分析算法：通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，所走过的路径称为 “引用链”，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，即判定为不可达（垃圾），Java 中使用该算法，GC Roots 包括虚拟机栈中引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象等。
垃圾回收算法
- 标记-清除算法：标记所有需要回收的对象，统一清除，缺点是内存碎片化严重，可能导致后续大对象无法分配。
- 标记-复制算法：将内存分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这块内存用完后，将存活对象复制到另一块，然后清空原内存块，实现简单、高效，无碎片，但内存空间折半。
- 标记-整理算法：标记过程与 “标记-清除” 一致，但后续不是直接清除，而是将存活对象向内存空间一端移动，然后直接清理端边界以外的内存，结合了前两者的优点，但效率较低。
垃圾回收器
- Serial GC：单线程收集器，进行垃圾回收时必须暂停所有用户线程（Stop-The-World），适用于客户端模式。
- Parallel GC：Serial GC 的多线程版本，能充分利用多核 CPU，注重吞吐量，是 JDK 8 默认的垃圾回收器。
- CMS（Concurrent Mark Sweep）GC：以获取最短回收停顿时间为目标，采用标记-清除算法，并发执行部分阶段，但会产生内存碎片，且可能出现 “Concurrent Mode Failure”。
- G1（Garbage-First）GC：面向服务端设计的垃圾回收器，将堆划分为多个大小相等的独立区域，能预测停顿时间，避免内存碎片，是 JDK 9 后的默认垃圾回收器。
类加载机制
类的加载是指 Java 源文件（.java）经过编译后生成字节码文件（.class），再通过类加载器将字节码文件加载到内存中，并转换为 Class 对象的过程。
类加载的七个阶段
- 加载（Loading）：通过类加载器读取
.class文件，生成字节码流，并转换为方法区内的运行时数据结构，在内存中生成Class对象。 - 验证（Verification）：确保
.class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，防止恶意代码执行。 - 准备（Preparation）：为类变量（静态变量）分配内存，并设置零值（如
int类型的变量初始化为 0，引用类型初始化为null）。 - 解析（Resolution）：将常量池内的符号引用替换为直接引用。
- 初始化（Initialization）：执行类构造器
<clinit>()方法，为类变量赋予正确的初始值（由程序员在代码中显式赋值）。 - 使用（Using）：主动使用类，如创建对象、访问类变量等。
- 卸载（Unloading）：类的
Class对象不再被引用时，被 GC 回收。
双亲委派模型
类加载器通过双亲委派模型组织结构,避免类的重复加载和安全性问题，工作流程如下：当一个类加载器收到类加载请求时，首先委派给父类加载器，递归向上，直到顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），若父类加载器无法完成加载，子类加载器才会尝试自己加载。
- 启动类加载器：负责加载
JAVA_HOME/jre/lib下的核心类库（如rt.jar），由 C++ 实现，是 JVM 自带的类加载器。 - 扩展类加载器：负责加载
JAVA_HOME/jre/lib/ext下的扩展类库。 - 应用程序类加载器：加载用户类路径（Classpath）下的类，是程序默认的类加载器。
JVM 的性能调优
JVM 性能调优的核心目标是优化内存分配、减少 GC 停顿时间、提高系统吞吐量，常见的调优手段包括：
- 堆大小设置：通过
-Xms（初始堆大小）和-Xmx（最大堆大小）参数调整堆内存，避免频繁扩容或内存不足。 - 新生代与老年代比例：通过
-XX:NewRatio调整新生代（Eden 区、From Survivor 区、To Survivor 区）与老年代的比例，减少对象过早进入老年代。 - 垃圾回收器选择：根据应用场景选择合适的垃圾回收器，如对停顿敏感的系统选择 G1 或 ZGC（低延迟垃圾回收器）。
- JVM 监控工具：使用
jps（查看进程）、jstat（监控内存和 GC）、jmap（生成堆转储文件）、jstack（生成线程快照）等工具分析 JVM 运行状态。
Java 虚拟机作为 Java 生态的基石，通过内存管理、垃圾回收、类加载等机制，为 Java 程序提供了高效、稳定、跨平台的运行环境，深入理解 JVM 的内存结构、工作原理和调优方法，不仅有助于解决开发中的内存泄漏、性能瓶颈等问题，更能编写出更高效、更健壮的 Java 程序，随着技术的不断发展，JVM 也在持续演进，如引入 GraalVM（支持多语言运行）等新技术，为开发者提供更强大的能力。
