JVM基础原理

jvm基础

jvm是什么？

jvm是运行在操作系统上的执行.class文件的虚拟机

jvm与操作系统的关系？

相同点都是可以执行对应的程序
不同点是jvm是可执行class文件与操作系统中间的一层（ps：某人说过计算机世界中的问题如果一个中间层不能解决就再加一个☺️）

jvm、jdk、jre之间的关系？

• 包含关系：JDK ⊃ JRE ⊃ JVM（JDK 包含 JRE，JRE 包含 JVM）
• JDK = JRE + 开发工具（javac、jar、javadoc 等）
• JRE = JVM + 核心类库 + 运行时组件
• JVM 运行在操作系统之上，不是包含关系

java虚拟机规范与Java语言规范之间的关系？

java虚拟机规范是定义执行.class文件的虚拟机的规范；
java语言规范是定义java文件的规范

jvm中的内存划分

java对比C语言引以为豪的就是引入自动内存管理机制，不让使用者在关心内存的管理。

• 内存划分

JVM 的内存可以按线程共享和线程私有分为两大维度、五大区域：

维度	区域	存储内容	异常场景
线程共享	堆 (Heap)	对象实例、数组	OutOfMemoryError: Java heap space
线程共享	元空间 (Metaspace)	Class 信息、常量池、方法数据	OutOfMemoryError: Metaspace
线程私有	虚拟机栈 (VM Stack)	栈帧（局部变量表/操作数栈/动态连接/返回地址）	StackOverflowError、OOM
线程私有	本地方法栈 (Native Stack)	native 方法的栈帧	同虚拟机栈
线程私有	程序计数器 (PC Register)	当前线程执行的字节码行号	无（唯一不报 OOM 的区域）

JDK8 的关键变化：用元空间 (Metaspace) 替代了 JDK7 的永久代 (PermGen)。元空间使用本地内存而非堆内存，因此不再受 -XX:MaxPermSize 限制，改为 -XX:MaxMetaspaceSize 控制，默认无上限。

为什么元空间移到本地内存？ 永久代有固定大小上限，加载大量类（如动态代理、JSP）时容易 OOM: PermGen space。移到本地内存后，类元数据的存储空间更灵活，GC 压力也更小。

各区域异常速查：

• 堆 OOM → 对象太多/太大，或内存泄漏
• 元空间 OOM → 动态生成大量类（CGLIB、动态代理、JSP）
• 虚拟机栈 StackOverflow → 递归过深（常见于无心递归）
• 虚拟机栈 OOM → 线程开太多（每个线程的栈默认 1MB）
• 直接内存 OOM → NIO 使用 ByteBuffer.allocateDirect() 未释放

堆区

堆是一个由线程之间共享的内存区域。基本类型的对象会中栈上进行分配，而普通类型的对象会栈堆上进行分配。由于栈是线程独立的，因此就不存在并发问题

栈区

• 虚拟机栈

Java虚拟机栈是基于线程级别的，每个线程都拥有独立的虚拟机栈帧。虚拟机栈的作用是存储栈帧;
在 JVM 中，栈帧（Stack Frame） 是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。它是线程私有的虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）的组成元素，每一个方法从调用开始到执行完毕，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈的过程。

栈值中分为：

• 局部变量表（用于存放方法参数和方法内定义的局部变量）
• 操作数栈（存放方法运行期间的操作数或结果）
• 动态连接（方法调用过程中的动态连接）
• 方法返回地址

程序计数器

程序计数器是用来标记当前线程正在执行的程序运行到哪了一行。

元数据空间

元数据空间是JDK8中划分出来的，用于替代JDK7已经之前的Perm区(永久代)。
元数据空间存储class信息、常量池、方法数据、方法代码等等

小结

jvm中运行的参数是在栈上的信息，栈上保存的引用指向的是堆中的对象，类信息、常量等信息则是放在元数据空间中。

对象创建的过程

• 类加载检查
• 分配内存空间
• 设置对象的头部信息（对象的类型、hashcode、锁状态等）
• 执行init方法(初始化)
• 返回对象的引用

对象的有两种创建方式,一种是通过TLAB分配内存，另一种是通过CAS + 自旋锁分配内存。

TLAB (Thread Local Allocation Buffer) 的使用场景：

• 适用场景：
  1. 小对象优先： TLAB 主要用于分配小对象。 这里的“小”是相对于整个堆空间而言的，具体大小由 JVM 的配置参数决定（例如，TLABSize）。通常，这个值设置为几 KB 到几十 KB。
  2. 线程频繁创建对象： TLAB 的优势在于避免了线程间的竞争，因此特别适合线程频繁创建对象的场景。例如，Web 服务器处理大量请求时，每个请求处理线程可能会创建很多临时对象。
  3. 内存分配速度敏感的应用： 由于 TLAB 分配不需要同步，速度非常快，因此对内存分配速度要求高的应用场景非常适用。

CAS + 自旋锁 的使用场景：

• 适用场景：
  1. 大对象： 当对象的大小超过 TLAB 的限制时，必须直接在共享堆中分配内存。
  2. TLAB 分配失败： 当 TLAB 空间不足时，线程需要从共享堆中重新申请新的 TLAB 或直接分配对象。
  3. 高并发环境： 虽然 TLAB 减少了线程间的竞争，但在并发量非常高的场景下，仍然可能出现多个线程同时尝试在堆中分配内存的情况。
  4. 竞争不是特别激烈的场景： 自旋锁适用于竞争不是特别激烈的场景。如果竞争非常激烈，线程长时间自旋会消耗大量的 CPU 资源。

小结：

• 优先使用 TLAB： JVM 会尽可能地使用 TLAB 来分配小对象，以提高分配速度和减少线程间的竞争。
• TLAB 不足时使用 CAS + 自旋锁： 当 TLAB 空间不足或需要分配大对象时，JVM 会使用 CAS + 自旋锁 来在共享堆中分配内存。
• 动态调整和优化： JVM 会根据具体的应用场景和硬件环境，动态调整 TLAB 的大小和自旋锁的策略，以达到最佳的性能和资源利用率。

更形象的比喻：

• TLAB 就像每个线程的“私人储物柜”： 线程可以快速地将一些常用的物品（小对象）存放在自己的储物柜中，无需和其他线程竞争。
• CAS + 自旋锁 就像“公共储物柜”： 如果物品太大或私人储物柜已满，线程需要到公共储物柜中寻找空间。如果公共储物柜正在被其他线程使用，则需要等待（自旋）直到可用。

对象加载的过程

① 类加载检查 → 检查这个类是否已被加载到元空间
② 分配内存 → 在堆上划一块空间（TLAB 或 CAS+自旋锁）
③ 初始化零值 → 所有字段设为默认值（int=0, 引用=null）
④ 设置对象头 → 写入 Mark Word（hashCode/GC年龄/锁状态）+ 类型指针
⑤ 执行 → 调用构造方法，按代码赋值
⑥ 返回引用 → 栈上的变量指向堆中的对象

类的加载机制

流程

加载 > 验证 > 准备 > 解析 > 初始化

执行时机早于,因为在装载到元数据区时就进行执行。

类加载器

• Bootstrap ClassLoader

最底层的类加载器，用于加载java底层类的类加载器

• Extention ClassLoader

扩展类的类加载器，用于加载lib/ext下的文件

• App ClassLoader

应用加载器，用于加载classPath下的文件

• Custom ClassLoader

自定义的类加载器