什么是Java虛擬機(jī)（JVM），它在內(nèi)部如何工作？

Java Virtual Machine（JVM）是??Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境（JRE）的關(guān)鍵組成部分，它使計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行Java程序。 JVM是無關(guān)的，這意味著它可以在具有JVM實(shí)現(xiàn)的任何設(shè)備或操作系統(tǒng)上運(yùn)行Java字節(jié)碼。 JVM充當(dāng)Java字節(jié)碼和基礎(chǔ)硬件之間的中介，確?？梢詧?zhí)行Java應(yīng)用程序，而無需在不同平臺上重新編譯。

在內(nèi)部，JVM通過幾個(gè)關(guān)鍵階段工作：

1. 加載：執(zhí)行Java程序后，JVM首先加載包含字節(jié)碼的.class文件。 ClassLoader子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將這些文件加載??到內(nèi)存中。
2. 驗(yàn)證：加載后，驗(yàn)證了字節(jié)碼，以確保其不會(huì)違反Java的安全性或完整性約束。此步驟有助于防止惡意代碼被執(zhí)行。
3. 準(zhǔn)備：在此階段，JVM分配了類變量的內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值。
4. 解決方案：這涉及從代碼中解決符號引用到直接引用。在此階段，JVM可能需要加載其他類。
5. 初始化：在此階段發(fā)生靜態(tài)變量的實(shí)際初始化和靜態(tài)初始塊的執(zhí)行。
6. 執(zhí)行： JVM使用執(zhí)行引擎執(zhí)行字節(jié)碼指令。執(zhí)行引擎可以由解釋器和即時(shí)（JIT）編譯器組成。解釋器一一讀取并執(zhí)行字節(jié)碼指令，而JIT編譯器將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為本機(jī)機(jī)器代碼，以更快地執(zhí)行。
7. 垃圾收集： JVM管理內(nèi)存分配和交易，以確保通過垃圾收集收回不再需要的內(nèi)存。

JVM及其功能的關(guān)鍵組成部分是什么？

JVM由幾個(gè)關(guān)鍵組件組成，每個(gè)組件都具有特定功能：

1. 類Loader子系統(tǒng)：此組件負(fù)責(zé)加載，鏈接和初始化類和接口。它使用分層方法來加載來自不同來源的類（例如本地文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)位置）。

2. 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域（內(nèi)存區(qū)域）：這包括程序執(zhí)行過程中使用的幾個(gè)內(nèi)存區(qū)域：

   • 方法區(qū)域：存儲(chǔ)類結(jié)構(gòu)，例如運(yùn)行時(shí)常數(shù)池，字段和方法數(shù)據(jù)。
   • 堆區(qū)域：存儲(chǔ)對象并在所有線程之間共享。
   • 堆棧區(qū)域：包含存儲(chǔ)局部變量和部分結(jié)果的框架。每個(gè)線程都有自己的堆棧。
   • PC寄存器：保留線程執(zhí)行的當(dāng)前指令的地址。
   • 天然方法堆棧：類似于堆棧區(qū)域，但用于天然方法。

3. 執(zhí)行引擎：此組件執(zhí)行字節(jié)碼指令。它包括：

   • 解釋器：一次執(zhí)行字節(jié)碼。
   • Just-On-time（JIT）編譯器：將字節(jié)碼編譯到本機(jī)機(jī)器代碼中，以更快地執(zhí)行。
   • 垃圾收集器：通過回收不再使用的對象來管理內(nèi)存。
4. Java本機(jī)接口（JNI）：允許Java代碼通過其他語言（例如C，C和匯編）編寫的本機(jī)應(yīng)用程序和庫來調(diào)用。
5. 本機(jī)方法庫： JVM要求的本機(jī)庫的集合來支持本機(jī)方法的執(zhí)行。

JVM如何管理內(nèi)存并執(zhí)行垃圾收集？

JVM中的內(nèi)存管理涉及運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)內(nèi)存的分配和交易，尤其是堆和堆棧。這是JVM管理內(nèi)存的方式：

1. 內(nèi)存分配：

   • 堆棧內(nèi)存：用于存儲(chǔ)本地變量和方法調(diào)用詳細(xì)信息。在調(diào)用和返回方法時(shí)，將自動(dòng)分配和劃分內(nèi)存。
   • 堆內(nèi)存：用于存儲(chǔ)對象。創(chuàng)建新對象并保留使用時(shí)，將分配內(nèi)存，直到不再引用它們?yōu)橹埂?/li>

2. 垃圾收集：

   • JVM使用垃圾收集來自動(dòng)通過識別和刪除不再引用的對象來自動(dòng)管理堆內(nèi)存。該過程涉及：

     • 標(biāo)記階段：垃圾收集器通過追蹤根（全局變量，堆棧變量等）的所有參考來標(biāo)識仍在使用的對象（可觸及）。
     • 掃描階段：垃圾收集器收回了標(biāo)記階段中被標(biāo)識為垃圾的對象所占據(jù)的內(nèi)存。
     • 緊湊型相（可選）：一些垃圾收集器移動(dòng)存活的物體以鞏固自由空間并減少碎片化。

   • 常見的垃圾收集算法包括：

     • 串行GC：適用于單線程環(huán)境。
     • 并行GC：利用多個(gè)線程進(jìn)行垃圾收集來提高性能。
     • 并發(fā)標(biāo)記掃描（CMS）GC：通過與應(yīng)用程序線程同時(shí)執(zhí)行其大部分工作來最大程度地減少應(yīng)用程序中的停頓。
     • 垃圾 - 首先（G1）GC：專為大堆內(nèi)存區(qū)域而設(shè)計(jì)，平衡暫停時(shí)間和吞吐量。

JVM適用哪些優(yōu)化來提高Java應(yīng)用程序性能？

JVM應(yīng)用多種優(yōu)化來提高Java應(yīng)用程序的性能：

1. 及時(shí)（JIT）匯編：

   • JVM使用JIT匯編將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時(shí)的本機(jī)機(jī)器代碼。隨著編譯代碼的執(zhí)行速度比解釋字節(jié)模式快得多，因此這會(huì)大大改善。

2. 內(nèi)部：

   • JIT編譯器可以將小方法插入調(diào)用方法，以減少方法調(diào)用的開銷。這種優(yōu)化可以顯著提高性能，尤其是在經(jīng)常稱為方法中。

3. 循環(huán)展開：

   • JIT編譯器可以展開循環(huán)以減少環(huán)路控制的開銷，并有可能實(shí)現(xiàn)其他優(yōu)化。這可以通過在單個(gè)循環(huán)迭代中執(zhí)行更多循環(huán)迭代來提高性能。

4. 消除代碼：

   • JIT編譯器可以檢測和刪除從未執(zhí)行的代碼，從而減少編譯代碼的大小并改善運(yùn)行時(shí)性能。

5. 逃生分析：

   • 該技術(shù)分析了是否可以在堆棧中分配對象而不是堆，從而有可能減少收集垃圾的需求并提高性能。

6. 自適應(yīng)優(yōu)化：

   • JVM不斷監(jiān)視應(yīng)用程序的性能，并動(dòng)態(tài)調(diào)整其優(yōu)化策略。例如，它可能會(huì)將經(jīng)常執(zhí)行的方法編譯為本機(jī)代碼，同時(shí)留下較少的關(guān)鍵代碼要解釋。

7. 配置文件引導(dǎo)的優(yōu)化：

   • JVM使用運(yùn)行時(shí)分析數(shù)據(jù)來指導(dǎo)其優(yōu)化決策。這包括跟蹤方法調(diào)用頻率和分支預(yù)測，以將優(yōu)化工作集中在應(yīng)用程序的最關(guān)鍵部分上。

這些優(yōu)化使JVM能夠通過動(dòng)態(tài)適應(yīng)所執(zhí)行的代碼的特定運(yùn)行時(shí)特征和工作負(fù)載模式來顯著提高Java應(yīng)用程序的性能。

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