什么是Java虛擬機（JVM），它在內(nèi)部如何工作？

Java Virtual Machine（JVM）是??Java運行時環(huán)境（JRE）的關鍵組成部分，它使計算機能夠運行Java程序。 JVM是無關的，這意味著它可以在具有JVM實現(xiàn)的任何設備或操作系統(tǒng)上運行Java字節(jié)碼。 JVM充當Java字節(jié)碼和基礎硬件之間的中介，確?？梢詧?zhí)行Java應用程序，而無需在不同平臺上重新編譯。

在內(nèi)部，JVM通過幾個關鍵階段工作：

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)負責將這些文件加載??到內(nèi)存中。
2. 驗證：加載后，驗證了字節(jié)碼，以確保其不會違反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（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)換為本機機器代碼，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及其功能的關鍵組成部分是什么？

JVM由幾個關鍵組件組成，每個組件都具有特定功能：

1. 類Loader子系統(tǒng)：此組件負責加載，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)絡位置）。

2. 運行時數(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內(nèi)存區(qū)域：

   • 方法區(qū)域：存儲類結構，例如運行時常數(shù)池，字段和方法數(shù)據(jù)。
   • 堆區(qū)域：存儲對象并在所有線程之間共享。
   • 堆棧區(qū)域：包含存儲局部變量和部分結果的框架。每個線程都有自己的堆棧。
   • PC寄存器：保留線程執(zhí)行的當前指令的地址。
   • 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)碼編譯到本機機器代碼中，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）編寫的本機應用程序和庫來調(diào)用。
5. 本機方法庫： JVM要求的本機庫的集合來支持本機方法的執(zhí)行。

JVM如何管理內(nèi)存并執(zhí)行垃圾收集？

JVM中的內(nèi)存管理涉及運行時數(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：用于存儲本地變量和方法調(diào)用詳細信息。在調(diào)用和返回方法時，將自動分配和劃分內(nèi)存。
   • 堆內(nèi)存：用于存儲對象。創(chuàng)建新對象并保留使用時，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通過識別和刪除不再引用的對象來自動管理堆內(nèi)存。該過程涉及：

     • 標記階段：垃圾收集器通過追蹤根（全局變量，堆棧變量等）的所有參考來標識仍在使用的對象（可觸及）。
     • 掃描階段：垃圾收集器收回了標記階段中被標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：利用多個線程進行垃圾收集來提高性能。
     • 并發(fā)標記掃描（CMS）GC：通過與應用程序線程同時執(zhí)行其大部分工作來最大程度地減少應用程序中的停頓。
     • 垃圾 - 首先（G1）GC：專為大堆內(nèi)存區(qū)域而設計，平衡暫停時間和吞吐量。

JVM適用哪些優(yōu)化來提高Java應用程序性能？

JVM應用多種優(yōu)化來提高Java應用程序的性能：

1. 及時（JIT）匯編：

   • JVM使用JIT匯編將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為運行時的本機機器代碼。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，并有可能實現(xiàn)其他優(yōu)化。這可以通過在單個循環(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行時性能。

5. 逃生分析：

   • 該技術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. 自適應優(yōu)化：

   • JVM不斷監(jiān)視應用程序的性能，并動態(tài)調(diào)整其優(yōu)化策略。例如，它可能會將經(jīng)常執(zhí)行的方法編譯為本機代碼，同時留下較少的關鍵代碼要解釋。

7. 配置文件引導的優(yōu)化：

   • JVM使用運行時分析數(shù)據(jù)來指導其優(yōu)化決策。這包括跟蹤方法調(diào)用頻率和分支預測，以將優(yōu)化工作集中在應用程序的最關鍵部分上。

這些優(yōu)化使JVM能夠通過動態(tài)適應所執(zhí)行的代碼的特定運行時特征和工作負載模式來顯著提高Java應用程序的性能。

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