🚀 JVM基础理论
深入理解Java虚拟机的核心架构与运行原理，为JVM调优打下坚实基础
学习目标
- 理解JVM的基本架构和组成部分
- 掌握JVM内存模型和各个分区的作用
- 了解类加载机制和双亲委派模型
- 理解垃圾回收的基本概念和算法
- 掌握JDK 1.8、17、21版本的差异和特性
🏗️ JVM架构概述
Java虚拟机（JVM）是Java程序运行的核心环境，它为Java程序提供了跨平台的运行能力。理解JVM的架构是进行性能调优的基础。
类加载子系统
负责加载、链接和初始化Java类文件，包括启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。
运行时数据区
包括堆、栈、方法区、程序计数器等内存区域，是JVM管理内存的核心部分。
执行引擎
负责执行字节码，包括解释器、JIT编译器和垃圾回收器等组件。
本地方法接口
提供Java程序调用本地方法的能力，通过JNI与操作系统进行交互。
JVM架构的理解是进行性能调优的基础。每个组件都有其特定的作用和性能特点，在调优时需要针对性地进行优化。
💾 内存模型详解
JVM内存模型是理解Java程序运行机制的关键。不同的内存区域有不同的生命周期和管理方式，这直接影响程序的性能表现。
堆内存（Heap）
堆是JVM中最大的内存区域，用于存储对象实例和数组。堆内存分为新生代和老年代：
- 新生代（Young Generation）：包括Eden区和两个Survivor区（S0、S1），新创建的对象首先分配在Eden区
- 老年代（Old Generation）：存放长期存活的对象，当对象在新生代中经历多次GC后会被移动到老年代
- 元空间（Metaspace）：JDK 8+中替代永久代，存储类的元数据信息
栈内存（Stack）
每个线程都有自己的栈内存，用于存储局部变量、方法参数和方法调用信息：
- 栈帧（Stack Frame）：每个方法调用都会创建一个栈帧
- 局部变量表：存储方法的局部变量和参数
- 操作数栈：用于计算过程中的临时数据存储
- 动态链接：指向运行时常量池的方法引用
方法区（Method Area）
方法区存储类级别的信息，包括类的结构、方法代码、字段定义等。在不同JDK版本中有不同的实现：
- JDK 7及以前：永久代（PermGen），容易出现OutOfMemoryError
- JDK 8+：元空间（Metaspace），使用本地内存，避免了永久代的限制
内存分配和回收是影响Java程序性能的关键因素。合理配置堆大小、新生代比例等参数，可以显著提升程序性能。
📚 类加载机制
类加载是JVM将类文件加载到内存并进行解析的过程。理解类加载机制有助于优化应用启动性能和解决类加载相关问题。
类加载过程
类加载包括以下几个阶段：
- 加载（Loading）：查找并加载类的二进制数据
- 验证（Verification）：确保被加载的类的正确性
- 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存并设置默认初始值
- 解析（Resolution）：把类中的符号引用转换为直接引用
- 初始化（Initialization）：执行类的初始化代码
双亲委派模型
双亲委派模型是Java类加载器的工作机制，确保类加载的安全性和一致性：
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载核心Java类库
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载扩展目录中的类库
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：加载应用程序类路径上的类
- 自定义类加载器：用户自定义的类加载器
🗑️ 垃圾回收基础
垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的机制，它负责回收不再使用的对象所占用的内存空间。理解GC原理是进行JVM调优的重要基础。
GC算法
标记-清除算法
首先标记所有需要回收的对象，然后统一回收所有被标记的对象。会产生内存碎片。
复制算法
将内存分为两块，每次只使用其中一块。当这一块内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块上面。
标记-整理算法
标记过程与标记-清除算法一样，但后续步骤不是直接清理，而是让所有存活对象向一端移动。
分代收集算法
根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，然后根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。
引用类型
Java中有四种引用类型，它们的强度依次递减：
- 强引用（Strong Reference）：最常见的引用类型，只要强引用存在，垃圾回收器永远不会回收
- 软引用（Soft Reference）：内存空间足够时不会被回收，内存不足时会被回收
- 弱引用（Weak Reference）：无论内存是否充足，都会被垃圾回收器回收
- 虚引用（Phantom Reference）：最弱的引用关系，主要用于跟踪对象被垃圾回收的活动
🔄 JDK版本对比
不同JDK版本在JVM实现上有显著差异，了解这些差异有助于选择合适的JDK版本和调优策略。
JDK 1.8 特性
- 移除永久代，引入元空间（Metaspace）
- 默认垃圾回收器为Parallel GC
- 引入Lambda表达式和Stream API
- CompressedOops默认开启（64位平台）
- G1垃圾回收器正式发布
JDK 17 特性
- 默认垃圾回收器为G1 GC
- 引入ZGC和Shenandoah低延迟垃圾回收器
- 改进的JIT编译器性能
- 更好的容器感知能力
- 移除实验性的AOT和Graal编译器
JDK 21 特性
- 虚拟线程（Virtual Threads）正式发布
- ZGC支持分代回收
- 改进的G1垃圾回收器性能
- 更好的启动性能和内存使用
- 增强的JFR（Java Flight Recorder）功能
对于新项目，推荐使用JDK 17或21，它们提供了更好的性能和更多的调优选项。对于现有项目，需要根据具体情况评估升级的收益和成本。
🛠️ 实践练习
通过以下实践练习，加深对JVM基础理论的理解：
练习1：JVM进程信息查看
使用JDK自带工具查看JVM进程信息：
- 使用
jps命令查看Java进程 - 使用
jinfo命令查看JVM参数 - 使用
jstat命令查看GC统计信息
练习2：内存布局分析
分析不同JDK版本的内存布局差异：
- 对比JDK 8和JDK 17的内存分区
- 观察元空间的使用情况
- 分析堆内存的分代结构
练习3：类加载器实验
编写代码验证类加载机制：
- 实现自定义类加载器
- 验证双亲委派模型
- 观察类加载的时机
练习4：GC日志观察
启用GC日志并分析：
- 配置GC日志参数
- 运行程序并观察GC行为
- 分析GC日志中的关键信息