JVM基础概念

JVM 全称是 Java Virtual Machine 翻译过来是 Java 虚拟机，用于执行 Java 字节码文件，顾名思义它是一个专属于 Java 的虚拟机程序，任何可以安装 JDK 的操作系统都可以执行 Java 程序，这是就是 Java 的跨平台

JVM 主要有四部分组成，它的作用执行字节码文件，所以要先使用类加载器将字节码文件读取并保存到运行时数据区（JVM 的内存），保存到内存后由执行引擎执行 Java 代码，除了这三个之外 JVM 中还包含本地接口，内部封装着 C/C++ 语言编写的代码，Java 的源码中带有 native 关键字的方法调用的就是本地接口中的方法

JIT即时编译

其他编程语言例如 C/C++ 编写的程序会编译为计算机可识别的机器码，也就是直接编译成可执行文件（例如exe），而 Java 编译后的 Class 文件并不是可执行文件，需要 JVM 将它解释为机器码文件才可执行，中间多了一个步骤就导致 Java 程序的执行效率会低一些，JIT 即时编译 就是这个问题的解决方案，通过对程序运行状态进行分析，将高频执行的代码解释为机器码后保存到内存中，节省了反复解释造成的多余的性能开销

字节码文件

JVM 的作用是执行字节码文件，字节码并不支持直接用文本编辑器打开浏览，这里介绍三种方案：

1. 可用 JDK 自带的javap -v xxx.class在控制台上查看，线上环境可通过jar -xvf xxx.jar解压 jar 包后查看
2. 可以使用 jclasslib (opens new window) 图形化工具查看字节码文件，相比控制台查看更方便
3. 使用阿里巴巴的 arthas.jar (opens new window) 运维工具，在线上动态查看正在运行的 jar 包，以及动态替换字节码文件等等
   • dashboard -i 5000 -n 10，查看程序数据面板，每个 5 秒刷新一次，刷新 10 次后结束
   • dump -d /data/java/ site.hanzhe.Application，将 Application 这个字节码文件保存到指定目录下
   • jad /data/java/ site.hanzhe.Application，反编译该字节码文件，查看 Java 源代码
   • 更多命令参数详查官方文档 (opens new window)

Java 的 .class 字节码文件大致由五部分组成：

1. 基础信息：包含魔数、字节码文件对应的 Java 版本号、访问标识符、父类和接口等等信息等等
2. 常量池：保存字符串常亮、类或接口名、字段名等等
3. 字段：当前类中声明的字段信息
4. 方法：当前类中方法的字节码指令信息
5. 属性：类源码的文件名、包含哪些内部类等等

Magic 魔数

一个文件的扩展名并不能决定文件的类型，因为扩展名可以随意修改，通常来说程序识别文件类型会根据该文件的前几个字节来判断，例如 PNG 图片开头四个字节为89 50 4E 47，在 UTF-8 码表中对应字母 PNG

Java 字节码文件中前四个字节为CA FE BA BE为“咖啡宝贝”的谐音，这是文件头进制数，用于区分文件类型，也成为魔数

主副版本号

在 jclasslib 主界面的一般信息中可以看到主版本号和副版本号，副版本号用来标识小版本这个不重要

主版本号用来标识大版本，JDK1.2 的版本号为46，之后每升级一次版本号就递增，用版本号减去 44 就能得到 JDK 版本

• 46 - 44 = 2，JDK 版本为 1.2
• 52 - 44 = 8，JDK 版本为 1.8

记录一些常见的 JVM 指令，随时补充

指令	解释
iconst_值	将值放到操作数栈中
istore_下标	将操作数栈中的值存放到对应下标的变量中
iload_下标	将对应下标的值读取到操作数栈中
iadd	操作数栈中的值相加
iinc 下标 by 值	将指定下标变量的值进行增加，by 后面的值是多少就加多少

类的生命周期

类的生命周期主要分为五个阶段：加载 → 链接 → 初始化 → 使用 → 卸载

加载阶段

类加载器会读取读取字节码文件将它保存到 JVM 的内存中，这里分别用到了 JVM 内存中的方法区和堆内存，类的基础信息会在方法区中保存为一个 InstanceKlass 对象，同时在堆内存中保存一个 class 对象，类中的静态变量就是存放在堆内存中的

Java 安装目录下的 lib 目录中有个sa-jdi.jar文件，文件中提供了 HSDB 调试工具可以查看内存信息，通过jsp命令可以获取到运行的 Java 进程 ID，在 Tools/ObjectHistogram 菜单中根据类的权限定名可以看到该类的内存信息

启动 HSDB 工具的命令：java -cp sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

链接阶段

链接阶段由三部分组成：验证 准备 解析

验证：校验字节码是否符合规范，例如是否为正确的字节码文件，版本是否对应，指令是否正确等等

准备：为当前类中所有的静态变量设置初始值，如果是被 final 修饰的静态变量则直接设置正确的值

解析：将字节码中的符号引用，替换为直引用

初始化阶段

内存结构

程序计数器

程序计数器，英文名是 Program Counter Register，是线程私有内存，基于寄存器实现，主要作用是记录下一个要执行的 JVM 指令，具体体现为：

• 当线程执行过程中 CPU 离开后重新调度时，能够接着上次执行的位置继续向下执行
• 当方法 a 调用方法 b 时，b 方法执行结束后能回到调度的位置，继续向下执行

虚拟机栈

栈内存，又被称为虚拟机栈，英文名是 JVM Stacks，为线程工作提供运行空间是线程私有内存

• 栈内存中主要用来存储栈帧，例如方法调用为a→b→c每个方法对应一个栈帧，三个栈帧依次入栈，先进后出
• 栈帧中存储方法运行中产生的一些数据，例如局部变量
• 方法嵌套调用过多或者错误的递归调用容易导致Stack Overflow栈内存溢出
• 栈内存大小默认为1MB，可以通过 Xss 设置栈内存大小，例如-Xss2048k，需要注意的是物理机内存是有容量限制的，栈内存分配的空间越大那么可创建的线程数量就越少，分配内存前须谨慎考虑

CPU高占用检测方案

1. 使用top命令查看 Java 项目对应的 PID
2. 使用ps H -eo pid,tid,%CPU,%MEM | grep PID查看该进程的所有线程 ID
3. 将线程ID（TID）转十六进制后，使用jstack命令查看线程信息

本地方法栈

本地方法栈，英文名是 Native Method Stacks，为本地方法提供运行空间是线程私有内存

本地方法栈的作用与虚拟机栈类似，不同的是本地方法栈为本地方法工作，指的是 Java 源码中常见的使用native关键字的代码，JVM 通过本地方法实现执行 C/C++ 的代码

堆

堆内存，英文名是 Heap，是线程共享内存，通过 new 关键字创建的对象都使用堆内存，有垃圾回收机制不定期清理内存

• 堆内存没有默认大小，可以通过-Xms设置堆初始内存大小，-Xmx设置堆最大内存大小

堆内存诊断工具

1. jmap -heap PID
2. jconsole可视化工具，通过PID连接进程进行监控
3. jvisualvm可视化工具，通过PID连接进程进行监控

方法区

方法区，英文名Method Area，是线程共享内存，主要存储类的结构信息，例如变量，方法以及构造等信息