JVM内存模型
目录
1、什么是JVM？
2、为什么要学习JVM？
（1）深入理解Java程序的运行机制
（2）优化程序性能
（3）排查线上问题
（4）编写高效代码
（5）跨平台与语言无关性
（6）面试与职业发展
3、JVM的体系结构
3.1 类加载子系统（Class Loader SubSystem）
(1) 加载（Loading）
(2) 链接（Linking）
(3) 初始化（Initialization）
3.2 运行时数据区（Runtime Data Areas）
(1) 线程私有区域（每个线程独立）
(2) 线程共享区域（所有线程共用--->非线程安全的）
3.3 执行引擎（Execution Engine）
(1) 解释器（Interpreter）
(2) JIT编译器（Just-In-Time Compiler）
(3) 垃圾回收（Garbage Collection）
(4) 本地方法接口（JNI, Java Native Interface）
3.4 数据流向总结
4、在Java 8版本之后的更新
4.1 类加载子系统的改进
4.2 运行时数据区的重大变化
(1) 方法区 → 元空间（Metaspace）
(2) 堆内存与垃圾回收器
(3) 线程栈优化
4.3 执行引擎的增强
4.4 工具链与监控的演进
4.5 总结
5、新特性探索（Java 8+）
模块一：Java 8~Java 11
5.1 模块化（Java 9+）
5.2 元空间（Metaspace）取代永久代
5.3 GC 行为变化（CMS 移除）
模块二：Java 11~Java 17
5.4 低延迟 GC：ZGC 与 Shenandoah
5.5 GraalVM 原生镜像（AOT 编译）
5.6 虚拟线程（Loom 项目，Java 19 正式）
模块三：新特性详解
5.7 元空间调优
5.8 G1/ZGC 原理
5.9 JFR（Java Flight Recorder）诊断
1、什么是JVM？
- Java Virtual Machine（Java虚拟机），用来保证Java语言跨平台。
- Java虚拟机可以看做是一台抽象的计算机，如同真实的计算机那样，它有自己的指令集以及各种运行时内存区域。
JVM模拟了真实计算机的架构，拥有独立的指令集（如字节码指令）和内存管理机制（如堆、栈、方法区等）。这种设计使得Java程序无需直接操作物理硬件，而是通过JVM的统一接口运行，从而实现跨平台性。例如，javac编译生成的字节码（.class文件）是JVM的“指令集”，而堆内存用于存储对象实例，栈内存用于方法调用。
- Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式（class文件格式）所关联。
JVM的核心规范是处理符合class文件格式的二进制文件，而非特定语言。这意味着任何能编译成合规字节码的语言（如Kotlin、Scala）均可运行在JVM上。例如，Groovy编写的代码编译后也能被JVM执行，体现了JVM的“语言无关性”。
- Java虚拟机就是一个字节码翻译器，它将字节码文件翻译成各个系统对应的机器码，确保字节码文件能在各个系统正确运行。
JVM通过解释或即时编译（JIT）将字节码转换为目标系统的原生机器码。例如，在Windows和Linux上，同一份.class文件会被JVM分别翻译为x86或ARM指令，确保程序在不同OS上行为一致。这种“一次编译，到处运行”的特性依赖JVM对各平台的适配。
2、为什么要学习JVM？
学习 JVM（Java虚拟机） 是Java开发者进阶的必经之路，主要原因包括以下几个方面：
（1）深入理解Java程序的运行机制
- Java程序不是直接运行在操作系统上，而是通过JVM执行字节码。
- 了解JVM如何加载类、管理内存、执行字节码等，能帮助你写出更高效、稳定的代码。
- 例如：理解
ClassLoader机制可以避免类加载冲突，优化启动性能。
（2）优化程序性能
- JVM的内存管理（堆、栈、方法区）、垃圾回收（GC）机制直接影响程序性能。
- 掌握JVM调优（如调整堆大小、选择合适的GC算法）可以显著提升高并发、大数据量场景下的应用性能。
- 例如：
-Xms和-Xmx参数调整堆内存，避免频繁GC导致的卡顿。
（3）排查线上问题
- 线上环境可能出现
OOM（内存溢出）、CPU飙升、线程死锁等问题，掌握JVM工具（如jstack、jmap、VisualVM）看懂GC日志就能够快速定位问题。 - 例如：用
jstack分析线程堆栈，找出死锁或阻塞的代码。
（4）编写高效代码
- 了解JVM内存模型（如
逃逸分析、栈上分配）可以优化对象创建方式，减少GC压力。 - 例如：
String的intern()方法可以复用字符串常量池，减少内存占用。
（5）跨平台与语言无关性
- JVM不仅支持Java，还支持Kotlin、Scala、Groovy等JVM语言，理解JVM有助于学习这些语言的底层机制。
- 例如：Kotlin的协程底层依赖JVM的线程模型。
（6）面试与职业发展
- JVM是Java面试的核心考点之一（如GC、类加载、内存模型），掌握JVM能提升竞争力。
- 高级开发、架构师等岗位通常要求深入理解JVM调优和底层原理。
3、JVM的体系结构
如下图所示，这是一个JVM的体系结构图（基于Java8的环境）：
这张JVM体系结构图清晰地展示了Java虚拟机的主要组成部分及其运行流程，主要包括 类加载子系统（Class Loader SubSystem）、运行时数据区（Runtime Data Areas） 和 执行引擎（Execution Engine） 三大部分。下面我们逐一解析每个模块的功能和流程。
3.1 类加载子系统（Class Loader SubSystem）
负责运行时首次引用类文件时加载.class文件到内存，并转换为JVM可识别的数据结构。类加载过程分为 加载（Loading）→ 链接（Linking）→ 初始化（Initialization） 三个阶段：
(1) 加载（Loading）
- 任务：查找并加载
.class文件（二进制字节码）到内存。 - 类加载器（Class Loader）：
- Bootstrap Class Loader（启动类加载器）：加载
JRE/lib下的核心类库（如java.lang.*）。 - Extension Class Loader（扩展类加载器）：加载
JRE/lib/ext下的扩展类。 - Application Class Loader（应用程序类加载器）：加载用户程序的类（
classpath下的类）。
- Bootstrap Class Loader（启动类加载器）：加载
(2) 链接（Linking）
- 验证（Verify）：检查字节码是否符合JVM规范（如魔数
0xCAFEBABE），如果验证失败将会收到验证错误。 - 准备（Prepare）：为 静态变量 分配内存并设置默认值（如
int初始化为0）。 - 解析（Resolve）：将符号引用（如类名、方法名）转换为直接引用（内存地址）。
(3) 初始化（Initialization）
- 执行
<clinit>()方法（静态变量赋值、执行静态代码块）。 - 例如：
static int a = 100;在此阶段赋值。
3.2 运行时数据区（Runtime Data Areas）
JVM运行时的内存模型，分为 线程私有 和 线程共享 区域：
(1) 线程私有区域（每个线程独立）
- 程序计数器（PC Register）
- 记录当前线程执行的字节码指令地址（线程切换后恢复执行位置）。
- PS：每一个线程都有自己的程序计数器。
- 虚拟机栈（Stack Area）
- 存储 栈帧（Stack Frame），每个方法调用对应生成一个栈帧，所有的局部变量都会在栈内存创建，其中栈帧包含：
- 局部变量表（LVA）：存放方法参数和局部变量。
- 操作数栈（Operand Stack）：用于计算中间结果（如
i++操作）。 - 动态链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的方法引用。
- 方法返回地址：方法执行完毕后返回的位置。
- 存储 栈帧（Stack Frame），每个方法调用对应生成一个栈帧，所有的局部变量都会在栈内存创建，其中栈帧包含：
- 本地方法栈（Native Method Stack）
- 为
native方法（如C/C++代码）提供运行环境。 - PS：对应的，每个线程都会创建自己的本地方法栈
- 为
(2) 线程共享区域（所有线程共用--->非线程安全的）
- 堆（Heap Area）
- 存储 所有对象实例和数组，是垃圾回收（GC）的主要区域。
- 分为 新生代（Young Gen） 和 老年代（Old Gen）。
- 方法区（Method Area）
- 存储 类信息、常量、静态变量、JIT编译后的代码（JDK 8后由 元空间Metaspace 实现）。
- PS：每个Java虚拟机都只有一个方法区，所以他是公共的。
3.3 执行引擎（Execution Engine）
负责执行字节码，核心组件包括：
(1) 解释器（Interpreter）
- 逐行解释执行字节码（启动快，但执行效率低）。
- 当一个方法被调用多次的时候，他还是会逐一解释，所以JIT编译器应运而生。
(2) JIT编译器（Just-In-Time Compiler）
- 热点代码优化：将频繁执行的字节码（比如上文提到的多次调用一个方法的重复代码）编译为本地机器码（本地代码会直接用于系统调用，从而提升性能）。
- 工作流程：
- Profiler（分析器）：识别热点代码（如循环、高频调用方法）。
- Code Optimizer（代码优化器）：优化字节码（如内联、逃逸分析）。
- Target Code Generator（目标代码生成器）：生成机器码。
(3) 垃圾回收（Garbage Collection）
- 自动回收堆内存中的无用对象（如引用计数、可达性分析算法）。
-
我们可以通过调用
System.gc()方法触发垃圾回收器，但是不能保证执行。
(4) 本地方法接口（JNI, Java Native Interface）
- 调用本地方法（如
System.currentTimeMillis()底层用C实现）。
3.4 数据流向总结
- 类加载：
.class文件 → 类加载子系统 → 方法区（存储类信息）。 - 运行阶段：
- 线程栈执行方法 → 操作数栈计算 → 堆内存创建对象。
- JIT优化热点代码 → 生成机器码加速执行。
- 垃圾回收：堆内存中的无用对象被GC清理。
4、在Java 8版本之后的更新
4.1 类加载子系统的改进
| 模块 | Java 8 | Java 11/17 |
|---|---|---|
| 类加载器 | Bootstrap/Extension/Application | 模块化系统（Java 9+）：引入 Layer 分层加载机制，支持动态模块依赖。 |
| 加载过程 | 固定路径（JRE/lib, ext, classpath） | 模块路径（module-path） 替代 classpath，增强隔离性。 |
| 元数据存储 | 永久代（PermGen）存储类元数据 | 元空间（Metaspace）：类元数据移至本地内存，默认无上限（-XX:MaxMetaspaceSize 可限制）。 |
影响：
- 永久代 OOM 问题消失，但需监控元空间占用（如滥用动态类生成仍会触发 Metaspace OOM）。
- 模块化减少类冲突（如
javaxvsjakarta），但需适应新打包方式（jlink生成定制化运行时）。
4.2 运行时数据区的重大变化
(1) 方法区 → 元空间（Metaspace）
- Java 8: Method Area (PermGen)- 固定大小（`-XX:PermSize=64m`），易触发 `OutOfMemoryError: PermGen space`。- 存储：类元数据、运行时常量池、静态变量。+ Java 17: Metaspace- 本地内存管理，默认自动扩展（受限于物理内存）。- 存储：仅类元数据（静态变量移至堆中）。- 调优：`-XX:MaxMetaspaceSize=256m` 限制上限。(2) 堆内存与垃圾回收器
| 特性 | Java 8 | Java 11/17 |
|---|---|---|
| 默认 GC | Parallel GC（吞吐优先） | G1 GC（平衡吞吐/延迟） |
| 低延迟 GC | 无 | ZGC（亚毫秒级停顿，Java 11+） Shenandoah（低停顿，Java 12+） |
| 堆分区 | 固定新生代/老年代比例 | G1 的 Region-Based 动态分区 |
影响：
- ZGC/Shenandoah 适用于微服务、实时系统（如支付交易），但需显式启用：
java -XX:+UseZGC -jar app.jar - G1 的默认化减少调优负担，但需理解 Region 和 Mixed GC 机制。
(3) 线程栈优化
- Java 15+ 虚拟线程（预览）：
- 轻量级线程（JEP 425），减少栈内存占用和上下文切换开销。
- 替代传统
Thread模型，适用于高并发（如 10W+ 连接）。
Thread.startVirtualThread(() -> {...}); // Java 19 正式发布
4.3 执行引擎的增强
| 组件 | Java 8 | Java 11/17 |
|---|---|---|
| JIT 编译器 | C1/C2 分层编译 | Graal JIT（Java 10+ 可选） |
| AOT 编译 | 不支持 | GraalVM AOT（生成原生镜像，Java 17+） |
| 本地方法 | 传统 JNI | Project Panama（预览，简化 FFI 调用） |
影响：
- Graal JIT：更激进的优化（如逃逸分析），但可能增加编译时间。
- AOT 编译：提升启动速度（如 Spring Native），但牺牲动态性（反射需配置）。
native-image -jar app.jar # 生成原生可执行文件
4.4 工具链与监控的演进
| 工具 | Java 8 | Java 11/17 |
|---|---|---|
| 监控工具 | jstat、jmap、VisualVM | JDK Mission Control (JMC) Java Flight Recorder (JFR) |
| 命令行 | jcmd 功能有限 | 增强版 jcmd（支持 Metaspace/ZGC 诊断）：jcmd <pid> VM.metaspace |
| 日志 | GC 日志需手动解析 | 统一日志（-Xlog）：-Xlog:gc*=debug:file=gc.log |
示例（Java 17 ZGC 日志分析）：
java -XX:+UseZGC -Xlog:gc*=info:file=zgc.log -jar app.jar4.5 总结
Java 11/17 的 JVM 在 内存模型（元空间）、垃圾回收（ZGC）、执行效率（Graal/AOT）和 可观测性（JFR）上大幅改进，但核心架构（类加载、堆栈模型）仍与 Java 8 一脉相承。
5、新特性探索（Java 8+）
模块一：Java 8~Java 11
5.1 模块化（Java 9+）
- 问题背景：
图中Class Loader SubSystem的Bootstrap/Extension/Application三层加载器在 Java 8 中依赖classpath，易引发 JAR 地狱（如版本冲突）。 - Java 11 解决方案：
- 模块化系统（JPMS）：
- 类加载改为 模块路径（module-path） 替代
classpath，每个模块声明依赖（module-info.java）。 - 新增
Layer分层加载机制，支持动态模块化部署。
- 类加载改为 模块路径（module-path） 替代
- 影响：
- 需重构大型项目为模块（如拆分
com.example为独立模块）。 - 工具链变化：
jlink生成定制化运行时，剔除未用模块减小体积。jlink --add-modules java.base --output minimal-jre
- 需重构大型项目为模块（如拆分
- 模块化系统（JPMS）：
5.2 元空间（Metaspace）取代永久代
- 与上图对比：
原图的Method Area（永久代）在 Java 8 中通过-XX:PermSize固定大小，易触发OutOfMemoryError: PermGen space。 - Java 11 变化：
- 元空间（Metaspace）特性：
- 类元数据移至 本地内存，默认无上限（受限于物理内存）。
- 字符串常量池、静态变量移至 堆内存。
- 调优参数：
-XX:MaxMetaspaceSize=256m # 限制上限 -XX:MetaspaceSize=64m # 初始大小 - 监控命令：
jcmd <pid> VM.metaspace # 查看元空间使用详情
- 元空间（Metaspace）特性：
5.3 GC 行为变化（CMS 移除）
- 图中对比：
原图Execution Engine的Garbage Collection未明确收集器类型，Java 8 默认Parallel GC，CMS 为老年代低停顿选项。 - Java 11 更新：
- CMS 移除：改用 G1（Garbage-First） 作为默认收集器。
- G1 核心改进：
- Region-Based 堆分区：取代固定新生代/老年代比例，动态调整 Region 用途。
- Mixed GC 模式：同时回收新生代和老年代 Region。
- 调优示例：
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 # 目标停顿时间
模块二：Java 11~Java 17
5.4 低延迟 GC：ZGC 与 Shenandoah
- ZGC（Java 11+）：
- 目标：亚毫秒级停顿（<1ms），适合实时交易系统。
- 原理：
- 染色指针（Colored Pointers）：在指针中存储元数据，加速标记。
- 并发压缩：无需停顿线程整理内存。
- 启用命令：
-XX:+UseZGC -Xmx16g -Xlog:gc*=info:file=zgc.log
- Shenandoah（Java 12+）：
- 类似 ZGC，但通过 Brooks 指针实现并发压缩，适用于大堆（>32GB）。
5.5 GraalVM 原生镜像（AOT 编译）
- 图中对比：
原图Execution Engine的JIT Compiler（C1/C2）在 Java 17 中可替换为 Graal JIT 或 AOT 编译。 - 原生镜像特性：
- 将 Java 程序编译为独立可执行文件（无需 JVM），启动速度提升 10x。
- 限制：反射、动态类加载需提前配置（
reflect-config.json）。 - 示例：
native-image -jar app.jar --no-fallback
5.6 虚拟线程（Loom 项目，Java 19 正式）
- 背景：
原图的Stack Area中每个线程固定占用 ~1MB 栈内存，高并发时成本太高了。 - 虚拟线程：
- 轻量级线程（协程），由 JVM 调度，复用 OS 线程。
- 支持百万级并发（传统线程仅千级）。
- 示例：
Thread.startVirtualThread(() -> System.out.println("Virtual Thread"));
模块三：新特性详解
5.7 元空间调优
- 监控工具：
- JMC/JFR：实时监控 Metaspace 使用率与 GC 事件。
- Arthas：诊断类加载泄漏（如动态生成类未卸载）。
- 常见问题：
- Metaspace OOM：因滥用 CGLIB/ASM 动态生成类，需限制大小或优化代码。
5.8 G1/ZGC 原理
| 收集器 | G1（Java 8+） | ZGC（Java 11+） |
|---|---|---|
| 目标 | 平衡吞吐与停顿（~200ms） | 亚毫秒级停顿（<1ms） |
| 堆布局 | 固定大小 Region | 动态 Region（无分代） |
| 标记 | 并发标记 + SATB 算法 | 并发染色指针 |
| 压缩 | 并行压缩（Mixed GC 阶段停顿） | 并发压缩（无停顿） |
5.9 JFR（Java Flight Recorder）诊断
- 启用命令：
-XX:StartFlightRecording=delay=5s,duration=60s,name=myrecording,filename=recording.jfr - 关键事件：
jdk.GCPhase：分析 GC 停顿时间。jdk.MetaspaceAllocationFailure：定位元空间问题。
- 工具：
- JMC 可视化分析
.jfr文件。
- JMC 可视化分析
通过对比原图与新版特性，可以清晰看到 JVM 从 固定内存模型 向 动态化、低延迟、云原生 的演进方向。