JVM学习全方位详解

发布时间：2023-05-24

Java虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）是一种能够在不同平台上运行Java字节码的虚拟机，它是Java语言实现“一次编写，到处运行”的核心。在JVM中，所有的Java程序都能被执行，而且无需考虑底层的硬件和操作系统环境，这是Java强大的“跨平台性”的保证。JVM的学习对于Java开发者来说至关重要，本文将从多个角度对JVM进行详细的阐述。

一、JVM的构成和运行原理

1、JVM的构成：

<img src="jvm-structure.png">

JVM包含三部分：类装载器、执行引擎和运行时数据区。其中，类装载器负责将class文件加载到JVM中，执行引擎负责将字节码文件转化为可执行代码并执行，运行时数据区包括方法区、虚拟栈、堆以及本地方法栈等。 2、JVM的运行原理：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

上述代码在编译后会生成HelloWorld.class字节码文件，当我们执行该程序时，JVM的运行过程如下：

  1. JVM首先通过类装载器将HelloWorld.class文件加载到内存中，生成一个对应的Class对象
  2. JVM读取main方法的信息并将其放入方法区中存储
  3. JVM在堆内存中为HelloWorld类创建一个实例对象
  4. JVM在虚拟栈中为main方法创建一个栈帧，将HelloWorld对象的引用作为参数传递给main方法
  5. 执行引擎将main方法中的字节码转化为机器码，进行执行，输出Hello World!

二、JVM内存模型

1、JVM内存结构：

<img src="jvm-memory.png">

JVM内存区域分为线程私有的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，以及线程共享的方法区和堆。 2、堆内存相关： Java基本数据类型和对象都存储在堆内存中，堆内存是所有线程共享的。JVM使用垃圾回收算法自动管理堆内存，根据对象的生命周期进行自动回收。我们可以通过设置参数（如-Xms和-Xmx）控制堆内存大小。 3、栈内存相关： 栈内存是线程私有的，每个线程都有一个独立的虚拟机栈和本地方法栈。虚拟机栈用于存储每个方法调用时的局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等信息，本地方法栈则用于执行本地方法的过程。栈内存的大小由操作系统所规定，我们可以通过设置参数（如-Xss）调整虚拟机栈和本地方法栈的大小。

三、JVM性能调优

1、内存优化：

  • 设置堆内存大小：在JVM启动时可以通过参数“-Xms”和“-Xmx”来指定堆的初始大小和最大大小。
  • 设置新生代和老年代大小：可以通过参数“-Xmn”来设置新生代大小，“-XX:NewRatio”来设置新生代和老年代的比例。
  • 减少Full GC的频率：可以通过设置合理的新生代和老年代比例来避免Full GC的频繁执行。 2、代码优化：
  • 使用StringBuilder代替String拼接，避免创建大量的临时对象。
  • 使用缓存技术减少对象的创建和销毁次数。
  • 使用foreach循环代替传统的for循环。

四、JVM相关工具

1、jps：用于列出当前系统中所有正在运行的JVM进程。

Usage: jps [-q] [-mlvV] [<hostid>]
           jps [-help]

2、jstat：用于监控JVM相关的统计信息。

Usage: jstat [generalOption] [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]]
       jstat -option [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -snap [-] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -gc [util|heap|capacity|load|phases|new|old|perm|gccapacity|gccause|printcompilation] [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -gccapacity <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -gcnew|-gcnewcapacity|-gcold|-gcoldcapacity|-gcpermcapacity|-gccause|-gcutil [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -printcompilation [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -class [loaded|bytes|unloaded|time] [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -compiler [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -printjni [-t] [-h] <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]
       jstat -snap|-snap:all <vmid> [interval [s|ms]] [<count>]

3、jmap：用于查看JVM内存使用情况。

Usage: jmap [option] <pid>
       (to connect to running process)
   or jmap [option] <executable> <core>
       (to connect to a core file)
   or jmap [option] [server_id@] <remote server IP or hostname>
       (to connect to remote debug server)
where <option> is one of:
    -dump          dump heap in binary format
    -dump:live     dump live objects in heap in binary format
    -heap          prints summary of heap usage
    -histo         prints histogram of class instances
    -permstat      print permanent space statistics
    -finalizerinfo print information on objects awaiting finalization
    -F             force. Use with -dump to force a dump when process is hung.
    -h|-help       print this help message
    -J<flag>       pass <flag> directly to the runtime system
    -X             print help on non-standard options

4、jconsole：用于监视和管理JVM。

<img src="jvm-jconsole.png">

五、JVM调试技巧

1、使用System.out.println进行调试： 这是最常用的调试技巧之一，在代码中插入输出语句，输出关键变量和特殊信息，查看哪些输出信息已经被执行，从而找到问题的所在。 2、使用断点进行调试： 使用调试器，在代码中设置断点，当程序执行到断点处，程序会停止执行，并且可以查看当前的变量值和调用栈信息，从而更好地理解程序的运行状态。 3、使用反编译工具进行调试： 使用反编译工具可以将class文件反编译成Java代码，从而更好地理解代码逻辑和运行过程，快速定位问题。

六、总结

本文从JVM的构成和运行原理、内存模型、性能调优、相关工具以及调试技巧等多个方面对JVM进行了全方位的详解。掌握JVM的知识对于Java开发者来说至关重要，希望本文能够对大家有所帮助。

推荐文章