1. JVM的體系結構
類加載器（ClassLoader）
作用：負責加載字節(jié)碼文件（.class文件）到內(nèi)存中。它是JVM執(zhí)行類加載機制的基礎組件，將類的字節(jié)碼數(shù)據(jù)加載到*區(qū)，在堆中創(chuàng)建對應的Class對象作為*區(qū)中類數(shù)據(jù)的訪問入口。
分類：主要包括啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），它負責加載Java核心類庫（如java.lang包中的類），是由C++實現(xiàn)的，是JVM的一部分；擴展類加載器（Ex* ClassLoader），用于加載Java的擴展庫（位于jre/lib/ext目錄下）；應用程序類加載器（Application ClassLoader），也稱為系統(tǒng)類加載器，負責加載用戶類路徑（classpath）下的類。
雙親委派模型：這是類加載器的一種工作機制。當一個類加載器收到類加載請求時，它首先會把請求委派給父類加載器。只有當父類加載器無法完成該加載任務時（它的搜索范圍中沒有找到所需的類），子加載器才會嘗試自己加載。這種模型可以避免類的重復加載，并且保證了Java核心類庫的安全性，例如，用戶自定義的java.lang.Object類不會被加載，因為啟動類加載器已經(jīng)加載了系統(tǒng)的java.lang.Object類。
運行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Areas）
程序計數(shù)器（Program Counter Register）：它是一塊較小的內(nèi)存空間，可以看作是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。它是線程私有的，每個線程都有自己獨立的程序計數(shù)器，這樣可以保證各個線程按自己的執(zhí)行順序執(zhí)行字節(jié)碼。
Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）：它也是線程私有的，生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java*執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個*在執(zhí)行時都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame），用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、*出口等信息。當一個*被調用時，一個新的棧幀就會被壓入棧中；當*執(zhí)行完成后，棧幀就會從棧中彈出。如果棧的深度超過了虛擬機允許的范圍，就會拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機?？梢詣討B(tài)擴展，但是在擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存，就會拋出OutOfMemoryError異常。
本地*棧（Native Method Stacks）：與Java虛擬機棧類似，不過它是為本地（Native）*服務的。本地*是指用非Java語言（如C或C++）編寫的，并且被Java代碼調用的*。它的具體實現(xiàn)方式和內(nèi)存分配方式可能因JVM的不同而有所差異，在某些JVM實現(xiàn)中，本地*棧和Java虛擬機棧是合二為一的。同樣，本地*棧也會出現(xiàn)StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
堆（Heap）：它是JVM管理的內(nèi)存中*的一塊，是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域。幾乎所有的對象實例和數(shù)組都在堆上分配內(nèi)存。堆的內(nèi)存空間是不連續(xù)的，它主要分為新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代又可以細分為Eden空間、From Survivor空間和To Survivor空間。垃圾收集器主要就是針對堆內(nèi)存進行回收操作，以釋放那些不再被引用的對象所占用的空間。因為堆是共享的，并且需要頻繁地進行對象的創(chuàng)建和銷毀，所以它也是最容易出現(xiàn)OutOfMemoryError異常的區(qū)域。
*區(qū)（Method Area）：它也是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲已被虛擬機加載的類信息（包括類的版本、字段、*、接口等信息）、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。在Java 8之前，*區(qū)是通過*代（PermGen）實現(xiàn)的，*代有固定的大小限制，容易出現(xiàn)OutOfMemoryError異常。在Java 8及以后，*區(qū)被元空間（Met*ace）取代，元空間使用本地內(nèi)存，理論上它的大小只受限于本地內(nèi)存的大小，不過也需要合理配置參數(shù)，否則也可能出現(xiàn)內(nèi)存問題。
2. 垃圾回收（Garbage Collection，GC）
垃圾回收的基本原理
引用計數(shù)法（Reference Counting）：這是一種簡單的垃圾回收算法。每個對象都有一個引用計數(shù)器，當有一個地方引用這個對象時，計數(shù)器就加1；當引用失效時，計數(shù)器就減1。當計數(shù)器的值為0時，就表示這個對象可以被回收了。但是這種*無法解決循環(huán)引用的問題，例如，對象A引用對象B，對象B又引用對象A，此時它們的引用計數(shù)都不為0，但實際上這兩個對象可能已經(jīng)沒有其他有效的外部引用了，應該被回收。
可達性分析算法（Reachability *ysis）：這是目前主流JVM使用的垃圾回收算法。它以一系列被稱為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）。當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連（即不可達）時，則證明此對象是可以被回收的。GC Roots對象包括虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象、本地*棧中JNI（Java Native Inte*ce）引用的對象、*區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象、*區(qū)中常量引用的對象等。
垃圾收集器（Garbage Collector）
Serial收集器：這是最基本、歷史最悠久的收集器。它是一個單線程收集器，在進行垃圾收集時，必須暫停其他所有的工作線程，直到收集結束。它的優(yōu)點是簡單高效，對于限定單個CPU的環(huán)境來說，由于沒有線程交互的開銷，專心做垃圾收集可以獲得*的單線程收集效率。
ParNew收集器：它是Serial收集器的多線程版本。除了使用多線程進行垃圾收集外，其余行為包括收集算法、Stop
The
World機制等都和Serial收集器一樣。它是許多運行在Server模式下的JVM虛擬機*的新生代收集器，因為它能與CMS收集器（老年代收集器）很好地配合工作。
Parallel Scavenge收集器：它也是一個新生代收集器，采用復制算法。它的特點是關注的是吞吐量（Throughput），即CPU用于運行用戶代碼的時間與CPU總消耗時間的比值。它提供了兩個參數(shù)用于*控制吞吐量，如
XX:MaxGCPauseMillis（控制*垃圾收集停頓時間）和
XX:GCTimeRatio（直接設置吞吐量大小）。
CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）：這是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的老年代收集器。它的工作過程比較復雜，主要分為四個階段：初始標記（Initial Mark）、并發(fā)標記（Concurrent Mark）、重新標記（Re
Mark）和并發(fā)清除（Concurrent Sweep）。其中初始標記和重新標記這兩個階段需要暫停所有用戶線程（Stop
The
World），但時間比較短；并發(fā)標記和并發(fā)清除階段是與用戶線程同時進行的，這樣就可以在一定程度上減少垃圾收集時對用戶線程的影響，從而提高應用程序的響應速度。不過，CMS收集器也有一些缺點，比如它對CPU資源比較敏感，在并發(fā)階段會占用一部分CPU資源，導致應用程序的性能下降；而且它會產(chǎn)生大量的空間碎片，需要定期進行碎片整理。
Garbage
First（G1）收集器：它是一款面向服務端應用的垃圾收集器，主要應用于多處理器和大容量內(nèi)存環(huán)境。G1收集器在收集過程中不會產(chǎn)生空間碎片，它把堆內(nèi)存劃分成多個大小相等的獨立區(qū)域（Region），在進行垃圾回收時，會優(yōu)先回收垃圾最多的區(qū)域。它采用了標記
整理（Mark
Compact）和復制（Copy）算法相結合的方式。G1收集器可以*地控制停頓時間，通過設置
XX:MaxGCPauseMillis參數(shù)來指定目標停頓時間，它會盡量在這個時間范圍內(nèi)完成垃圾收集工作。 ### 3. JVM性能調優(yōu)
性能指標
響應時間（Resp*e Time）：指從用戶發(fā)出請求到收到響應的時間間隔。在JVM性能調優(yōu)中，需要關注*執(zhí)行時間、線程阻塞時間等因素對響應時間的影響。例如，一個Web應用程序，用戶點擊一個按鈕后，等待服務器返回數(shù)據(jù)的時間就是響應時間。如果響應時間過長，用戶體驗就會很差。
吞吐量（Throughput）：是指單位時間內(nèi)系統(tǒng)處理的請求數(shù)量。對于一個處理大量并發(fā)請求的服務器來說，吞吐量是一個重要的性能指標。例如，一個每秒能夠處理100個HTTP請求的Web服務器，其吞吐量就是100個請求/秒。在調優(yōu)過程中，需要平衡吞吐量和響應時間之間的關系。
內(nèi)存占用（Memory Footprint）：指JVM進程占用的內(nèi)存大小。包括堆內(nèi)存、棧內(nèi)存、*區(qū)內(nèi)存等各個部分的占用情況。如果內(nèi)存占用過高，可能會導致系統(tǒng)頻繁地進行垃圾回收，甚至出現(xiàn)OutOfMemoryError異常。例如，一個Java應用程序在處理大量數(shù)據(jù)時，需要合理配置堆內(nèi)存大小，以避免內(nèi)存溢出。
調優(yōu)工具
JDK自帶的工具
jc*ole：它是一個基于JMX（Java Management Extensi*）的可視化監(jiān)控工具，可以用來監(jiān)控Java應用程序的運行時狀態(tài)，包括內(nèi)存使用情況、線程狀態(tài)、類加載情況等。通過jc*ole，可以直觀地看到堆內(nèi)存的使用量、各個線程的狀態(tài)（如運行、阻塞、等待等），并且可以檢測到死鎖等問題。
jvisualvm：它是一個功能更強大的多合一工具，不僅可以監(jiān)控Java應用程序的性能，還可以進行性能分析和故障排查。它可以生成詳細的性能報告，包括*的執(zhí)行時間、對象的分配情況等。例如，可以通過jvisualvm來分析一個應用程序中哪個*占用了大量的時間，從而對其進行優(yōu)化。
第三方工具
YourKit Java Profiler：這是一款商業(yè)的Java性能分析工具，它提供了非常詳細的性能分析功能，包括CPU使用率分析、內(nèi)存泄漏檢測、線程性能分析等。它可以幫助開發(fā)人員深入了解應用程序的性能瓶頸，并且提供了多種可視化的圖表來展示分析結果。
調優(yōu)策略
調整堆內(nèi)存大小：根據(jù)應用程序的實際需求，合理配置堆內(nèi)存的大小。如果應用程序需要處理大量的對象，并且內(nèi)存占用比較高，可以適當增加堆內(nèi)存的大小。但是，過大的堆內(nèi)存也可能會導致垃圾回收時間過長。例如，對于一個內(nèi)存密集型的應用程序，可以通過設置
Xmx（*堆內(nèi)存）和
Xms（初始堆內(nèi)存）參數(shù)來調整堆內(nèi)存大小。
選擇合適的垃圾收集器：根據(jù)應用程序的性能要求和特點，選擇合適的垃圾收集器。例如，如果應用程序對響應時間比較敏感，要求盡量減少垃圾收集時的停頓時間，可以選擇CMS收集器或者G1收集器；如果應用程序對吞吐量要求比較高，對停頓時間不是特別敏感，可以選擇Parallel Scavenge收集器。
優(yōu)化代碼層面：在代碼層面進行優(yōu)化也是提高JVM性能的重要手段。例如，盡量減少對象的創(chuàng)建和銷毀，避免在循環(huán)中創(chuàng)建大量的臨時對象；合理使用緩存，減少重復計算；及時釋放資源，避免資源泄漏等。 ### 4. JVM字節(jié)碼和指令集
字節(jié)碼（Bytecode）
概念：Java源代碼經(jīng)過編譯器編譯后生成的中間形式的代碼就是字節(jié)碼。字節(jié)碼是一種二進制格式的代碼，它不依賴于具體的硬件平臺和操作系統(tǒng)，具有良好的可移植性。字節(jié)碼文件（.class文件）的結構是按照JVM規(guī)范定義的，它包含了類的各種信息，如常量池、類的訪問標志、字段和*的信息等。
示例：以一個簡單的Java類為例，如`public class HelloWorld { public static void main(String[] args) { System.out.println("Hello, World!"); } }`，這個類經(jīng)過編譯后會生成一個字節(jié)碼文件。通過反編譯工具（如javap）可以查看字節(jié)碼的內(nèi)容，字節(jié)碼中包含了很多指令，如`ldc`（將常量池中的常量加載到操作數(shù)棧）、`invokevirtual`（調用實例*）等，這些指令是JVM執(zhí)行的最小單位。
指令集（Instruction Set）
概念：JVM指令集是JVM能夠識別和執(zhí)行的一套指令規(guī)范。它包括操作碼（Opcode）和操作數(shù)（Operand）兩部分。操作碼用于指定要執(zhí)行的操作類型，如加載、存儲、運算、跳轉等；操作數(shù)則是操作的對象或者數(shù)據(jù)。不同的JVM實現(xiàn)可能會對指令集有一些細微的差異，但都必須遵循JVM規(guī)范。
示例：在JVM指令集中，`aload_0`指令用于將*個引用類型本地變量加載到操作數(shù)棧頂。如果在一個*中有一個本地變量是一個對象引用，就可以使用這個指令將其加載到操作數(shù)棧，以便后續(xù)進行*調用或者其他操作。