深入了解jvm及实战
1.引言
jvm是深入了解java底层逻辑的必备知识储备,在中大型开发团队里,中高级工程师必须要了解和掌握,也是中高级工程师面试必考题,在实战中用于程序性能调优,内存泄露分析等
2.jvm概念理解
1.1什么是jvm
Java虚拟机（Java Virtual Machine 简称JVM）是运行所有Java程序的抽象计算机，是Java语言的运行环境，它是Java 最具吸引力的特性之一。
Java虚拟机有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈等，还具有相应的指令系统。
Java虚拟机本质上就是一个程序，当它在命令行上启动的时候，就开始执行保存在某字节码文件中的指令。Java语言的可移植性正是建立在Java虚拟机的基础上。任何平台只要装有针对于该平台的Java虚拟机，字节码文件（.class）就可以在该平台上运行。这就是“一次编译，多次运行”。
Java虚拟机不仅是一种跨平台的软件，而且是一种新的网络计算平台。该平台包括许多相关的技术，如符合开放接口标准的各种API、优化技术等。Java技术使同一种应用可以运行在不同的平台上。Java平台可分为两部分，即Java虚拟机（Java virtual machine，JVM）和Java API类库。
1.2 jvm功能
- 解释和运行
对文件字节码里的指令，解释成机器语言，让计算机执行
- 2.内存管理
自动为对象、方法分配内存
自动的垃圾回收机制，回收不在使用的对象
- 3.即时编译
jvm为取得跨平台的效果，在程序每次运行时，必须把编译文件class翻译成机器指令，称之为实时翻译，而c/c++等语言是在编译
就就转化成机器指令，这个使java的自己执行效率天生不如c/c++等语言.
java采用了即使编译的技术方案，对热点代码进行优化，提升执行效率。
即时编译
（英语：just-in-time compilation，缩写为JIT；又译及时编译、实时编译），也称为动态翻译或运行时编译，是一种执行计算机代码的方法，这种方法涉及在程序执行过程中（在运行期）而不是在执行之前进行编译。
热点代码
如果java发现一段代码反复出现，就会判断为热点代码，jvm会把这段代码编译成机器指令保存在内存里，下次操作时会直接调用内存里的代码，而不需要再转化成机器代码再执行，从而提高了执行效率
1.3 jvm规范及主流版本
-
JVM虚拟机规范由oracle制定，主要包含了java虚拟机再涉及和实现时需要准寻的规范，主要包含class字节码文件的定义、类和接口的加载和初始化、指令集等
-
规范时对虚拟机设计的要求，而而不是对java设计的要求，也就是说虚拟机可以运行再其他语言比比如Groovy,Scala生成的class字节码文件之上
参考网址
https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html
主流jvm版本
jvm版本发展历程
jvm有很多版本，我们一般使用HotSpot版本
1.4 jre jdk jvm的区别和联系
三者的大致结构是这样的，简单来说就是JDK包含JRE,JRE又包含JVM的关系。如下图所示：
-
JDK
JDK是整个JAVA的核心，包括了Java运行环境JRE（Java Runtime Envirnment）、一堆Java开发工具（javac/java/jdb等）和Java基础的类库（即Java API 包）。 -
JRE
JRE：Java Runtime Environment，是java运行时的环境，包含了java虚拟机，java基础类库，是使用java语言编写的程序运行所需要的软件环境。
JRE：Java runtime environment 是运行基于Java语言编写的程序所不可缺少的运行环境，用于解释执行Java的字节码文件。
通过它，Java的开发者才得以将自己开发的程序发布到用户手中，让用户使用。
JRE中包含了Java virtual machine（JVM），runtime class libraries和Java application launcher，这些是运行Java程序的必要组件。
与大家熟知的JDK不同，JRE是Java运行环境，并不是一个开发环境，所以没有包含任何开发工具（如编译器和调试器），只是针对于使用Java程序的用户
上图是Java中JRE的安装目录，里面有两个文件夹bin和lib。你可以认为bin里的就是JVM，lib中则是JVM工作所需要的类库，而JVM和 lib和起来就称为JRE；
- JVM
JVM：Java Virtual Machine 是Java的虚拟机，是JRE的一部分。它是整个java实现跨平台的最核心的部分，负责解释执行字节码文件，是可运行java字节码文件的虚拟计算机。
所有平台的上的JVM向编译器提供相同的接口，而编译器只需要面向虚拟机，生成虚拟机能识别的代码，然后由虚拟机来解释执行。
1.5 jvm组成
jvm由以下四部分组成：
类加载器（ClassLoader）
运行时数据区（Runtime Data Area）
执行引擎（Execution Engine）
本地库接口（Native Interface）
组成说明
1.程序在执行之前先要把 java 代码转换成字节码（class 文件）
2.jvm 首先需要把字节码通过一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中的运行时数据区（Runtime Data Area） ，而字节码文件是 jvm 的一套指令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器 执行引擎（Execution Engine） 将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（NativeInterface） 来实现整个程序的功能，这就是这 4 个主要组成部分的职责与功能。
而我们通常所说的 JVM 组成指的是 运行时数据区（Runtime Data Area） ，因为通常需要程序员调试分析的区域就是“运行时数据区”，或者更具体的来说就是“运行时数据区”里面的 Heap（堆）模块。
jvm整体框架
2.jvm-字节码文件class
jvm管理的是编译好的class字节码文件，我们先从字节码文件class了解开始
2.1 java和class无关性
我们通过javac把java文件编译成class文件，但class字节文件不一定全部来自java,java虚拟机jvm还能运用其他语言编程成class的字节文件。
Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号表以及若干其他辅助信息。各种不同平台的虚拟机与所有平台都统一使用的程序存储格式——字节码（ByteCode，Class文件语法）是构成平台无关性的基石，也是实现语言无关性的基石。
2.2 字节码应用场景
1.能回答如下算法问题：如
(1)int i=0;i=i++; i的值是多少
(2)int i=1; i +i +=++i +4.4+i; i的值为多少
(3）反射的原理和如何实现的？
2.解决版本冲突问题：
如上诉异常该如何解决
3.明明系统升级了，为什么bug还存在呢？（系统升级问题）
要解答如上问题，需要掌握相关的字节码文件知识。
2.4 字节码文件打开方式
字节码文件是编译好的二进制文件，用普通记事本打开的是乱码，无法阅读，需要借助专业的工具来
1.使用notepad++编辑器打开–点击插件–HEX-Editor(没有该插件的自行下载)–view in HEX，即可以16进制形式查看Clsaa文件。
当然也可以直接使用HEX-Editor软件打开：hex-editor。
打开如下所示
2.字节码分析插件
直接查看代码，不好做直观分析，我们一般采用jclasslib分析工具，提供单独安装版本和idea插件
我们可以使用idea插件，再插件库里查询并安装
安装好后，我们选中编译好的class文件，在idea窗口view->show Bytecode With Jclasslib
打开界面如下：
2.3 字节码文件组成
字节码文件由以下五部分组成
这里比较重要的分析数据：一般信息、常量池、方法 3部分
2.3.1 一般信息
包含：魔数、字节码文件对应的java版本号、访问表示标识(public final)父类和接口
（1）组成部分：魔术-magic
魔术在 Jclasslib分析面板看不到，我们用notepad++打开文件
二进制文件并不是通过后缀名如.jpg,.avi,.class来确定文件类型，因为文件后缀名可以任意修改的，一般采用开头的自己字节来表示文件类型，执行二进制文件的软件检查头几个字节是否是规定的常量，如果不是，则会报错。
常见二进制文件字节
可以看出，class字节文件的头4个字节数是cafebabe,我们打开所有class文件的开头的二进制代码都是这个。
这就是魔术-megic的作用。
尝试：
把.png文件后缀改成.avi，用视频浏播放器播放，看是否会提示出错。
(2)版本号
注意：当前流行是用maven来编译，这里编译是配置在maven里的编译版本，而不是idea里面的版本，那个是运行版本。
maven在setting.xml文件里面的编译配置
<profiles>
<!--
<profile>
<id>jdk18</id>
<activation>
<jdk>1.8</jdk>
<activeByDefault>true</activeByDefault>
</activation>
<properties>
<maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
<maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
<maven.compiler.compilerVersion>1.8</maven.compiler.compilerVersion>
</properties>
</profile>
-->
<profile>
<id>jdk17</id>
<activation>
<activeByDefault>true</activeByDefault>
<jdk>17</jdk>
</activation>
<properties>
<maven.compiler.source>17</maven.compiler.source>
<maven.compiler.target>17</maven.compiler.target>
<maven.compiler.compilerVersion>17</maven.compiler.compilerVersion>
<encoding>UTF-8</encoding>
</properties>
</profile>
版本号表示编程class使用的jdk版本，这里有个算法： 显示的版本号-44=jdk的版本号
这里52-44=18，对应的版本号就是1.8。（jdk1.2==46,后面每增加一个小版本，版本号就+1）
如果编译的版本和运行的版本不一致，尤其是高版本编译，低版本的运行环境，就会报错
我们在实际开发中，有两种常见场景：
1.我们开发时用的是高版本jdk,但服务器上用的是低版本，则会报错
2.我们引用第三方中间件jar编译的是高版本，但我们开发环境用的是低版本，也会报错：
例如以下：
查看jar包里的RandomStringUtils.class文件，其版本号为52,即编译版本是1.8，但我们开发环境是jdk1.6(对应50)，运行程序时就会报上面错误。
解决方案：
1.升级运行环境的jre版本号，如上升级成1.8
2.第三方降低版本号，降级为1.6
一般选中第二种方案，因为第一种方案需要整体升级，有些不可控风险
3.常量计数池
编译后的常量池里的常量个数，注意不是类里面的常量个数
4.本类索引、父类索引
描述类索引对应的常量
5 访问标志
就是对应的类的修饰符，如示例是public
5.接口计数
此类实现了的接口数
6.字段计数
字节码对应类的字段数
7.方法计数
字节码对应类的方法数，注意：每个编译好后的类
注意如果没有默认构造函数，都要自动创建一个无参的构造函数
8.属性计数
这里属性不是类的字段，而是编译码文件里类的信息，如果有内部类等，则计数会加1
2.3.2 常量池
2.3.3 方法
2.3.4 字段
2.3.5 属性
2.3.6 接口
3.类生命周期
4.类加载
5.JVM运行时数据区
6.本地方法接口
7.执行引擎
JVM实战业务场景
内存优化
GC优化
性能优化
原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_41158378/article/details/135721961
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