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JVM 架构概览

6 分钟阅读

JVM 整体架构

Java 虚拟机（JVM）是运行 Java 字节码的虚拟机实例。HotSpot JVM 的整体架构由三个主要子系统构成：

  • 类加载器子系统（Class Loader Subsystem）：负责从磁盘或网络加载 class 文件，并完成链接和初始化
  • 运行时数据区（Runtime Data Areas）：JVM 在执行期间管理的内存区域，包括堆、栈、方法区等
  • 执行引擎（Execution Engine）：负责执行字节码，包含解释器、JIT 编译器和垃圾收集器
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                  Class Loader                    │
│  Loading → Linking (Verify/Prepare/Resolve)      │
│             → Initialization                     │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│              Runtime Data Areas                  │
│  ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐  │
│  │ Heap │ │Method│ │  PC  │ │  VM  │ │Native│  │
│  │      │ │ Area │ │ Reg  │ │Stack │ │Stack │  │
│  └──────┘ └──────┘ └──────┘ └──────┘ └──────┘  │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│              Execution Engine                    │
│  Interpreter │ JIT Compiler │ GC                 │
└─────────────────────────────────────────────────┘

类加载机制

双亲委派模型

JVM 采用双亲委派（Parents Delegation）模型进行类加载：

  1. Bootstrap ClassLoader：加载 <JAVA_HOME>/lib 目录下的核心类库（如 rt.jar）
  2. Extension ClassLoader：加载 <JAVA_HOME>/lib/ext 目录下的扩展类库
  3. Application ClassLoader：加载用户类路径（classpath）上的类

当收到类加载请求时，类加载器会先将请求委派给父加载器处理。只有当父加载器无法完成加载时，才由自己尝试加载。这保证了核心类库的安全性和唯一性。

打破双亲委派

以下场景需要打破双亲委派模型：

  • SPI 机制：如 JDBC，核心类 java.sql.Driver 由 Bootstrap 加载，但实现类在 classpath 上。通过线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）解决
  • Tomcat 类加载：每个 Web 应用有独立的 WebAppClassLoader，优先加载应用自己的类，实现应用间隔离
  • OSGi 模块化：网状类加载结构，每个 Bundle 有独立的类加载器

自定义 ClassLoader

继承 java.lang.ClassLoader 并重写 findClass() 方法可实现自定义类加载器，典型应用场景：

  • 从网络、数据库或加密文件加载类
  • 实现类的热替换（Hot Swap）
  • 实现应用隔离
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    private byte[] loadClassData(String name) {
        // 从自定义来源加载类字节码
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }
}

JIT 编译器

解释执行 vs 编译执行

JVM 最初采用解释执行（Interpreter）逐条解释字节码，速度较慢。JIT（Just-In-Time）编译器在运行时将热点代码编译为本地机器码，显著提升执行速度。

分层编译（Tiered Compilation）

HotSpot 从 Java 7 开始支持分层编译，共 5 个编译层级：

层级 编译器 说明
0 解释器 解释执行，收集 profiling 信息
1 C1 简单编译，不做 profiling
2 C1 编译并收集有限 profiling
3 C1 编译并收集完整 profiling
4 C2 完全优化编译

默认策略：代码先由解释器执行（层级 0），当调用次数超过阈值时，由 C1 编译（层级 3），收集足够的 profiling 后再由 C2 编译（层级 4）。

热点探测

JIT 编译基于方法调用计数器和回边计数器判断热点代码：

  • 方法调用计数器：统计方法被调用的次数，超过阈值触发 JIT 编译
  • 回边计数器：统计循环回边的次数，超过阈值触发 OSR（栈上替换）编译

相关参数：

  • -XX:CompileThreshold：方法调用阈值（C1 默认 1500，C2 默认 10000）
  • -XX:-TieredCompilation：关闭分层编译
  • -XX:+PrintCompilation：打印 JIT 编译日志

JVM 规范与实现

JVM 规范

《Java 虚拟机规范》定义了：

  • class 文件格式
  • 数据类型和值
  • 运行时数据区
  • 栈帧结构
  • 指令集
  • 类加载和链接过程

规范不限制具体实现方式，只规定了外部行为。

主流实现

实现 特点
HotSpot Oracle/OpenJDK 默认 JVM，最广泛使用，包含 C1/C2 编译器
OpenJ9 IBM 贡献给 Eclipse，启动快、内存占用小
GraalVM 支持多语言（Java/JS/Python/Ruby），Truffle 框架，Native Image
Zing Azul Systems，基于 C4 算法实现无停顿 GC
Dragonwell 阿里巴巴，基于 OpenJDK，针对电商场景优化

小结

本章概述了 JVM 的整体架构。理解类加载机制、JIT 编译原理和不同 JVM 实现的特点，是深入学习 JVM 调优的基础。下一章将详细介绍 JVM 的内存模型和运行时数据区。

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