《JVM虚拟机》课件：深入理解Java虚拟机原理

虚拟机深入理解虚JVM Java拟机原理本课程将深入讲解Java虚拟机（JVM）的原理，帮助您理解Java代码的执行过程，以及如何进行性能优化和问题排查课程大纲

11.Java虚拟机概述

22.类加载子系统

33.执行引擎

44.内存管理子系统

55.垃圾回收机制

66.性能优化与调优

77.应用程序诊断为什么学习虚拟机JVM更深入理解Java提升代码性能解决问题的能力了解JVM工作原理可以更透彻地理解掌握JVM调优技巧，可以优化程序性学会分析JVM运行时的各种问题，如内Java语言的运行机制，并能更好地编写能，减少内存占用，提高程序运行效存泄漏、CPU占用过高、死锁等，并能高性能、稳定可靠的Java程序率快速定位问题根源语言的特点Java跨平台性Java代码可以通过JVM在不同的操作系统上运行，实现了一次编写，到处运行的特性面向对象Java是一种面向对象的编程语言，支持封装、继承、多态等特性，提高了代码的可重用性和可维护性安全可靠Java的安全性机制可以防止恶意代码入侵，并提供安全的环境来运行应用程序丰富生态Java拥有庞大的开源社区和丰富的库，为开发者提供了强大的支持虚拟机的发展历程Java

1.011995年，第一个版本的JVM发布，标志着Java跨平台时代的到来

21.11997年，引入内部类和反射机制，增强了语言的灵活性和扩展性

1.231998年，加入垃圾回收机制，提升了内存管理效率

41.31999年，优化了性能，并引入了HotSpot虚拟机

1.452002年，推出了assert机制和NIO库，增强了开发效率和网络编程能力

65.02004年，Java语言规范更新，支持泛型和枚举等新特性

6.072006年，推出了新的语法特性，如动态语言支持和并发编程模型

87.02011年，引入了新的垃圾回收器G1，并增强了安全性

8.092014年，推出了新的语言特性，如Lambda表达式和Stream API，提升了代码简洁性

109.02017年，引入了模块化系统，提升了代码组织和管理效率

11.0112020年，推出了新的垃圾回收器ZGC，进一步提高了垃圾回收效率虚拟机的架构Java类加载子系统执行引擎内存管理子系统负责加载、连接和初始负责执行字节码指令，负责管理Java程序运行化类文件完成代码的实际运行时的内存空间，包括分配、回收等操作本地方法接口提供与本地方法交互的机制，允许Java程序调用其他语言编写的代码类加载子系统连接验证、准备和解析三个步骤，确保加载的类2文件符合规范，并为其分配内存加载1将class文件加载到内存，并将其转化为方法区中的运行时数据结构初始化3执行类构造器方法clinit，完成类的初始化类加载器引导类加载器扩展类加载器应用程序类加载器负责加载rt.jar等核心库，是所有类加载负责加载jre/lib/ext目录下的扩展库负责加载用户类路径（classpath）下的器的父加载器应用程序类双亲委派机制

1.请求加载类应用程序类加载器首先尝试加载请求的类

2.委托父类加载器如果应用程序类加载器无法加载，则委托父类加载器，即扩展类加载器

3.最终委托引导类加载器如果扩展类加载器也无法加载，则最终委托引导类加载器进行加载虚拟机类加载过程

1.加载将class文件加载到内存，并转化为方法区中的运行时数据结构

2.验证验证class文件的格式和语义，确保其符合Java规范

3.准备为类的静态变量分配内存，并赋予默认值

4.解析将常量池中的符号引用替换为直接引用

5.初始化执行类构造器方法clinit，完成类的初始化执行引擎解释器1逐行解释执行字节码指令即时编译器2将热点代码编译为机器码，提高执行效率本地方法接口3与本地方法库交互，调用其他语言编写的代码解释器和即时编译器解释器即时编译器解释器逐行解释执行字节码指令，速度较慢，但启动速度快，适即时编译器将热点代码编译为机器码，执行效率更高，但启动速用于执行非热点代码度较慢，适用于执行热点代码即时编译器的优化方法内联1将方法调用替换为方法体代码，减少方法调用开销公共子表达式消除2将重复计算的表达式提取出来，只计算一次循环优化3优化循环结构，减少循环次数死代码消除4删除永远不会执行的代码内存管理子系统123程序计数器Java虚拟机栈本地方法栈记录当前线程执行的字节码指令地址存放方法执行时的局部变量、操作数栈等用于执行本地方法，与Java虚拟机栈类信息似45Java堆方法区存放所有对象的实例存放类的信息、常量池等运行时数据区域程序计数器Java虚拟机栈本地方法栈程序计数器是一个较小的内存空间，它可以Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期本地方法栈与Java虚拟机栈非常类似，区别看作是当前线程所执行的字节码的行号指示与线程相同虚拟机栈描述的是Java方法执是本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法器如果线程正在执行的是一个Java方法，行的内存模型每个方法在执行的时候，都服务如果虚拟机采用的是C语言实现，那这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操么该方法栈通常是用C语言中的栈实现码指令的地址；如果正在执行的是native方作数栈、动态链接、方法出口等信息每一法，这个计数器值为空（undefined）个方法从调用开始到执行结束的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程程序计数器程序计数器是一个较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是native方法，这个计数器值为空（undefined）虚拟机栈JavaJava虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型每个方法在执行的时候，都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息每一个方法从调用开始到执行结束的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程本地方法栈本地方法栈与Java虚拟机栈非常类似，区别是本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务如果虚拟机采用的是C语言实现，那么该方法栈通常是用C语言中的栈实现堆JavaJava堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为GC堆（GarbageCollected Heap）方法区和运行时常量池方法区是所有线程共享的内存区域，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等数据它也被称为永久代（Permanent Generation）或Non-Heap（非堆）垃圾回收机制垃圾回收（Garbage Collection，GC）是Java虚拟机（JVM）中的一种机制，用于回收不再被使用的对象所占用的内存空间，防止内存泄漏垃圾回收机制是Java虚拟机自动进行的，不需要程序员手动干预常见的垃圾回收算法标记-清除算法复制算法该算法首先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收所有被标记该算法将内存空间分为两个区域，每次只使用其中一个区域，当这的对象个区域的内存用完后，将存活的对象复制到另一个区域，然后将第一个区域清空该算法适合对象存活率较低的情况标记-整理算法分代收集算法该算法与标记-清除算法类似，但是它会将所有存活的对象都移动该算法将内存空间分为不同的代，例如年轻代和老年代，根据不同到内存空间的一端，然后清理掉边界之外的内存空间该算法适合代的特点使用不同的垃圾回收算法该算法是目前主流的垃圾回收对象存活率较高的情况算法分代垃圾回收分代收集算法是目前主流的垃圾回收算法该算法将内存空间分为不同的代，根据不同代的特点使用不同的垃圾回收算法例如，年轻代通常使用复制算法，老年代通常使用标记-整理算法垃圾收集器垃圾收集器是垃圾回收机制的具体实现Java虚拟机提供了多种垃圾收集器，例如Serial、Parallel、CMS、G1等不同的垃圾收集器有不同的特点，适用于不同的场景例如，Serial收集器简单高效，适用于单核CPU的系统，Parallel收集器并行处理，适用于多核CPU的系统，CMS收集器追求低停顿，适用于用户交互式的应用程序吞吐量收集器吞吐量收集器（Throughput Collector）是并行收集器的一种，它追求尽可能地提高应用程序的吞吐量吞吐量指的是应用程序运行期间CPU时间用于执行用户代码的比例吞吐量收集器通常会选择更快的垃圾回收算法，并尽量减少垃圾回收的时间它适合于后台任务或批量处理的应用程序并发收集器并发收集器（Concurrent Collector）是一种与应用程序线程并行执行的垃圾回收器，它可以减少应用程序的停顿时间并发收集器通常会使用更复杂的垃圾回收算法，以便在垃圾回收的同时，应用程序线程也能继续执行它适合于用户交互式的应用程序，例如Web服务器垃圾收集器G1G1垃圾收集器是一种并行、并发的垃圾收集器，它可以实现低停顿的同时，又能保证较高的吞吐量G1垃圾收集器可以根据应用程序的实际情况自动调整垃圾回收策略，并根据需要进行压缩整理，减少内存碎片性能优化的原理性能优化是指通过调整应用程序或系统配置，以提高应用程序的性能性能优化的目标是减少程序的运行时间、内存占用或提高程序的吞吐量性能优化可以从代码层面、硬件层面、系统配置层面等多个角度进行调优常用工具JVMJava虚拟机（JVM）调优是指通过调整JVM参数，以优化应用程序的性能JVM参数可以控制垃圾回收算法、内存分配策略、线程池大小等JVM调优是一个比较复杂的过程，需要根据应用程序的实际情况进行调整管理与监控JMXJMX（Java ManagementExtensions）是一种Java管理框架，它提供了一种标准的方式来管理和监控Java应用程序JMX可以用来监控应用程序的运行状态，例如CPU占用率、内存使用率、线程状态等JMX还可以用来控制应用程序的行为，例如调整垃圾回收策略、修改配置等和JConsole VisualVMJConsole和VisualVM是两个常用的JMX监控工具JConsole是一个简单的监控工具，它可以显示应用程序的运行状态，例如内存使用率、线程状态等VisualVM是一个功能更强大的监控工具，它可以提供更详细的信息，例如内存分配情况、垃圾回收日志等和命令jstat jmapjstat和jmap是两个常用的JVM命令行工具jstat可以用来监控JVM的运行状态，例如垃圾回收信息、内存使用情况、线程状态等jmap可以用来查看JVM的内存映射，例如堆内存、方法区等性能调优实战性能调优是一个复杂的工程，需要结合具体的应用程序和环境进行调整以下是一些常见的性能优化方法内存泄露排查内存泄露是指应用程序不再使用的内存无法被回收，造成内存浪费内存泄露通常是由代码错误引起的，例如未释放资源、循环引用等可以通过内存分析工具和代码审查等方式来排查内存泄露占用过高分析CPUCPU占用过高通常是由代码效率低下、死循环、线程竞争等原因引起的可以通过CPU分析工具和代码审查等方式来分析CPU占用过高的原因死锁和线程问题诊断死锁是指多个线程互相等待对方释放资源，造成程序无法继续执行线程问题是指线程之间存在竞争，例如访问共享资源、线程同步等可以通过线程分析工具和代码审查等方式来诊断死锁和线程问题应用程序诊断的最佳实践应用程序诊断是一个重要的工作，可以帮助我们快速定位和解决应用程序的问题以下是应用程序诊断的最佳实践结语通过学习本课程，您将掌握JVM的内部原理，并能运用这些知识进行性能优化和问题排查，提高Java程序的效率和稳定性。