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JVM原理（一）：JVM基础知识

article 2025/3/7 5:25:10

一、概述

JVM是java程序运行的基础环境，也是作为java开发必须了解的重要知识。了解jvm的基础知识可以帮助开发人员写出更高效的运行代码，也可以提升程序的性能。
jvm可以理解为一种虚拟机，它的职责就是将编译之后的字节码转化为机器可以执行的的代码。同时它具备资源管理能力，比如线程管理，内存分配及垃圾回收等功能。

二、JVM、JRE、JDK的区别

在java开发中，我么经常看到JVM、JRE、JDK名词，他们之间有什么关联，以及对应的作用是什么？
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JDK（Java Development Kit）：java开发工具套件，为开发者提供java开发所需的环境，包括基础类库、javac 编译工具和javadoc 等工具。
JRE（Java Runtime Environment）：java运行时环境，提供jvm 核心类库及支持文件等。
JVM（Java Virtual Machine）：java虚拟机，它接收字节码，并把它转化为机器可以读取和执行的代码。

三、JVM的基本特性

jvm区别于CPU使用的寄存器架构改用基于栈技术的实现，让它具备可移植性。使得java开发成本降低，同时也让开发不需要考虑平台的差异性。栈技术的优势，让jvm拥有以下的特性：

可移植性：java代码可以在任何安装jvm的机器上运行，而不需要考虑平台的差异性
内存管理：jvm提供了内存自动回收机制，对于不在使用的对象进行内存回收，降低内存溢出的风险
即时编译：jvm在运行时会将热点代码编译成机器码进行缓存，从而提高运行效率。
可观测：jvm提供各种监控接口及监控工具，可以让开发者调试提升系统的性能。

四、JVM 的构成

了解完jvm的特性，接下来我们看一下jvm的组成。jvm主要有三大系统组成分别为：类加载子系统，执行引擎和运行时数据区。
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类加载子系统：负责将编译完的字节码加载到内存中，并在运行到过程中解析和验证文件的准确性。
执行引擎：负责将字节码编译成机器可以识别的代码，并执行代码逻辑。
运行时数据区：用来存储程序执行期间的数据。提供程序运行时的内存空间，为程序的执行提供基础支持。

五、云原生的JVM

5.1 云原生开发趋势

元原生开发的趋势主要集中在无服务器（Serverless）、容器化、Kubernetes、分布式等。

无服务器（Serverless）：在云原生下，弱化了服务器的概念，将程序容器化，让开发者解决程序的问题，而不需要考虑基础设施的维护问题。
容器化：区别于jvm这种基于开发语言的虚拟机，容器使用的是基于操作系统层面的虚拟化，给每个容器分配对应的资源，允许在容器内运行多个程序和进程。
Kubernetes：它在容器化部署和资源管理等方面展现的自动化、弹性伸缩和容错能力已经成为了现在架构的基础。
分布式、弹性伸缩、微服务架构：
云时代的系统开发需要支持大规模的分布式计算和存储，能有效应对海量数据处理和分析的需要。云计算平台提供了弹性的资源分配机制，应用可以根据业务需求自动伸缩计算资源。系统开发通常采用微服务架构，把系统分解成一组小型、独立的服务，每个服务都在自己的进程中运行，各自独立部署。

5.2 云原生下JVM存在的问题

启动时间：jvm在启动的时候需要加载很多框架文件，加上其他的一些中间件的长连接，启动时间将以分钟计。
启动性能：在启动的前期jvm都是使用解释器执行代码，运行一段时间后才会使用解释+即时编译段模式，所以启动前期的性能低下。
占用内存：
面向对象：面向对象占用的内存空间过多，头部header通知占用8个字节，用于存储整数值需要4个字节，但为了对齐用了32字节来存储。

5.3 JVM对云原生的支持

对容器化的支持：在jdk 8之前，jvm无法感知容器的资源限制，经常会因为占用内存过大导致容器将进程kill 掉掉情况。而在jdk11 之后jvm增加了对容器资源的识别，可以根据容器的资源配置来合理的分配jvm资源的大小。
AOT技术：Ahead-Of-Time AOT编译技术，通过在jvm启动之前就把字节码文件编译成机器可识别的机器代码，在jvm启动时无需预热就可以达到最佳的性能。
函数式编程支持的增强：基于函数式编程风格更加强调不可变性和无副作用的特性，产生的垃圾更少。
GraalVM：GraalVM支持AOT编译，这意味着它可以将Java程序编译成本地可执行文件，极大地减少了启动时间和内存占用，更适应在云原生环境下运行。