什麼是JVM

JVM英文全稱為Java Virtual Machine，中文意為Java虛擬機器器。JVM是一種能夠執行Java語言編寫的程式的虛擬機器器器，它首次作為Java語言的一部分，後來又被移植到了許多平臺上。

JVM可以執行Java位元組碼，即Java原始碼經過編譯後生成的二進位制中間程式碼。JVM根據位元組碼指令來執行程式，這就使得Java程式跨平臺，在不同的作業系統上執行時不需要修改原始碼。JVM本身也是跨平臺的，因為JVM實際上就是使用底層機器程式碼實現的軟體層，因此只需安裝相應平臺的JVM即可。

JVM的主要元件包括：

類載入器：負責將.class二進位制檔案轉換為在執行時可以被JVM識別的類物件。
執行時資料區：包括方法區、虛擬機器器棧、本地方法棧、堆等。Java程式在執行時需要佔用這些區域中的記憶體。
執行引擎：負責執行位元組碼指令。
本地方法介面：使得Java程式可以呼叫本地方法，也就是使用C或C++重新編寫的底層程式。

JVM為Java語言提供了許多高階特性，這些特性包括垃圾回收、例外處理、執行緒控制和動態程式碼載入。因此，JVM是許多Java開發者不可缺少的工具，也是Java語言的核心元件之一。

JVM是如何執行Java程式的？

JVM（Java Virtual Machine）是Java程式的執行環境，負責將Java程式碼轉換為機器可以執行的程式碼。JVM執行Java程式的過程如下：

讀取並解析位元組碼檔案：JVM讀取.class檔案並將其解析為JVM可以理解的指令集。這些指令被儲存在方法區（Method Area）中。
載入類：JVM根據程式需要動態地載入類。當需要使用某個類時，JVM會檢查該類是否已經載入過，如果沒有則JVM會從檔案系統或網路中載入該類。
程式計數器指向當前指令：JVM中的程式計數器（Program Counter）指向當前正在執行的指令。在執行指令之前，程式計數器先指向該指令的地址。
執行指令集：JVM通過直譯器或即時編譯器來執行指令集。直譯器逐條解釋指令並執行，而即時編譯器將整段指令編譯成原生程式碼後再執行。執行指令集時，JVM還需要進行記憶體分配、垃圾回收等操作。
程式計數器指向下一條指令：執行完一條指令後，程式計數器會指向下一條指令的地址。這個過程不斷迴圈，直到程式結束或異常丟擲。

總之，JVM負責將Java程式轉換成機器可以執行的程式碼，並提供執行時環境。JVM的執行過程中，會載入類、解釋和執行指令集、記憶體分配和垃圾回收等操作。

什麼是JIT編譯器？

JIT（Just-In-Time）編譯器是一種動態編譯器，它在程式執行時將位元組碼翻譯為本地機器程式碼。在JIT編譯器中，程式碼被逐行直譯器執行，當某些程式碼被頻繁呼叫時，JIT編譯器將這些程式碼編譯成本地機器程式碼以提高執行效率。這種編譯方式可以使程式在第一次執行時速度較慢，但在後續執行時速度會顯著提高。JIT編譯器常用於Java虛擬機器器等動態語言環境中。

JVM的記憶體模型是什麼樣子的？

JVM的記憶體模型是基於Java程式執行時記憶體的管理結構，主要分為以下幾個部分：

程式計數器：每個執行緒都有一個程式計數器，用於記錄當前執行緒執行的位元組碼行號。
虛擬機器器棧：每個執行緒都有一個虛擬機器器棧，用於儲存方法執行時的區域性變數表、運算元棧、動態連線和方法返回值等資訊。
堆：JVM執行時動態分配的記憶體區域，用於儲存Java物件和陣列。
方法區：用於儲存類資訊、常數、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。
本地方法棧：與虛擬機器器棧類似，用於儲存本地方法的資訊。

在JVM中，堆是唯一一個被所有執行緒共用的記憶體區域，而每個執行緒都有自己的程式計數器、虛擬機器器棧和本地方法棧。同時，方法區也是被所有執行緒所共用的。JVM的記憶體模型為Java程式提供了良好的記憶體管理機制，能夠有效地提高程式的效能和安全性。

什麼是垃圾回收器？

JVM中的垃圾回收器是一種自動記憶體管理機制，它負責回收在程式中不再被使用的物件，並將這些記憶體釋放回給作業系統。垃圾回收器通過掃描參照關係來確定哪些記憶體是「垃圾」，並將其標記為可回收。它可以大大減少程式設計師手動釋放記憶體的工作量，提高程式的安全性和可靠性，但也會在一定程度上影響程式的效能。JVM中有很多不同型別的垃圾回收器，例如標記清除垃圾回收器、複製垃圾回收器、標記整理垃圾回收器等。這些垃圾回收器有不同的實現方式和適用場景，程式設計師需要根據需求選擇合適的垃圾回收器。

下面是一個使用Java語言的程式碼範例，演示垃圾回收器如何回收無用物件。

public class GarbageCollectionExample {
  public static void main(String[] args) {
    // 建立一個物件
    Person p = new Person();
    
    // 將物件設定為null，表示不再參照該物件
    p = null;
    
    // 垃圾回收器會在這裡回收無用物件
  }
}

class Person {
  // 將在這裡新增Person類的屬性和方法
}

在上述範例中，建立了一個名為Person的類，並範例化了一個物件p。然後將p設定為null，表示不再參照該物件。當垃圾回收器檢測到該物件沒有任何參照變數參照時，就會回收該物件並釋放其佔用的記憶體。

JVM中什麼是強參照、軟參照、弱參照、虛參照？

JVM中的四種參照型別：

強參照（Strong Reference）：指向物件的參照，即使記憶體不足，JVM也不會回收被強參照關聯的物件。強參照通常使用普通的Java物件參照來定義。

軟參照（Soft Reference）：軟參照關聯的物件會在記憶體不足的情況下被回收，也就是說只有當JVM發現一個物件只有軟參照關聯時，才會在記憶體不足時清除該物件。軟參照通常使用SoftReference來定義。

弱參照（Weak Reference）：弱參照關聯的物件在JVM進行垃圾回收時，無論記憶體是否充足都會被回收。弱參照通常使用WeakReference來定義。

虛參照（Phantom Reference）：虛參照關聯的物件與弱參照關聯物件的回收時機相同，但是虛參照必須和一個參照佇列（ReferenceQueue）一起使用。虛參照通常使用PhantomReference來定義。

public class ReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 強參照
        Object strongRef = new Object();

        // 軟參照
        SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());

        // 弱參照
        WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());

        // 虛參照
        ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference<Object> phanRef = new PhantomReference<>(new Object(), refQueue);

        // 嘗試回收
        System.gc();

        // 判斷是否回收成功
        System.out.println(strongRef);
        System.out.println(softRef.get());
        System.out.println(weakRef.get());
        System.out.println(phanRef.get());
    }
}

JVM如何載入和查詢類檔案？

JVM載入和查詢類檔案的過程如下：

1.類載入器的工作：JVM負責從檔案系統、JAR包或網路中載入類檔案，並交給類載入器去載入。類載入器通常有四種：

引導類載入器：負責載入JVM自身需要的類，如java.lang包中的類。
擴充套件類載入器：負責載入JRE的擴充套件目錄中的類。
應用程式類載入器：負責載入應用程式中的類。
使用者自定義類載入器：負責載入使用者自定義的類。

2.類檔案的查詢：類載入器會按照類的完全限定性類名（Fully Qualified Class Name，FQCN）去查詢類檔案。類的FQCN即包名+類名。

3.類檔案的載入：當類載入器找到並讀取了類檔案後，JVM會根據類檔案的結構建立一個表示該類的Class物件，並將其存放在JVM內部的方法區中，即類的後設資料區。這個Class物件包含了該類的所有資訊，如類名、類的修飾符、欄位、方法等。

4.類的初始化：當類檔案被載入後，JVM並不立即執行靜態程式碼塊和靜態變數的預設初始化賦值，而是等待需要被初始化類的首次主動使用時才執行。

5.類的連結：為了使類能夠正確執行，JVM需要對類進行連結。連結分為三個階段：

驗證（Verification）：驗證類檔案是否符合JVM規範。包括檔案格式、位元組碼驗證、符號參照驗證、存取許可權驗證等。
準備（Preparation）：為類的靜態變數分配記憶體，並設定預設初值。
解析（Resolution）：將類的符號參照解析為直接參照（如類或介面的全限定名解析為該類或介面的Class物件參照）。

6.類的使用：當一個類被載入、連結和初始化後，就可以被使用了。類的使用包括建立物件、呼叫方法、存取靜態變數、執行靜態程式碼塊等。

JVM的效能調優需要注意哪些點？

JVM的效能調優需要注意以下幾個點：

堆記憶體設定：JVM的堆大小設定對系統的效能影響很大，應該根據實際情況進行適當的調整。
垃圾回收設定：垃圾回收機制對系統的效能影響也非常大，應該根據應用的負載情況和記憶體使用情況進行適當的調整。
執行緒池設定：執行緒池的大小設定影響系統的並行能力和效能，應根據實際情況進行適當調整。
JVM引數設定：JVM提供了很多設定引數，如記憶體分配、GC演演算法和堆大小等，應根據實際情況進行適當調整。
應用程式碼優化：應用的程式碼質量和設計對系統的效能也有影響，應該進行優化以提高系統的效能。
系統資源設定：系統的硬體資源設定也對系統的效能有較大的影響，應根據實際情況進行適當的調整。

如何監控JVM的執行狀態？

可以通過以下幾種方式來監控JVM的執行狀態：

JVisualVM：JVisualVM是一個監控和分析JVM的工具，可以檢視記憶體使用、執行緒狀態、GC情況、類載入等資訊。需要在JDK的bin目錄下執行jvisualvm命令啟動。
jstat：jstat是JVM自帶的監控工具，可以檢視JVM的堆、非堆記憶體使用情況、GC情況等。通過命令列方式執行。
JMX：JMX是Java Management Extension的簡稱，可以通過JMX介面來監控和管理Java應用程式。可以使用JConsole等工具檢視JVM的執行狀況。
第三方工具：如AppDynamics、New Relic等都是常用的監控工具，可以通過整合agent來監控JVM的執行狀態。

JVM如何保證Java程式的安全性？

JVM（Java虛擬機器器）可以保證Java程式的安全性，主要體現在以下幾個方面：

類載入機制：JVM在程式執行時會將需要的類載入到記憶體中，並進行校驗、解析和初始化，確保類的可靠性和正確性。如果類有被篡改或不正確的地方，JVM在載入時會直接丟擲異常，防止不安全的程式碼被執行。
記憶體管理：JVM會提供記憶體分配、回收和存取保護等功能，防止程式出現記憶體洩露或越界存取等安全問題。
安全管理器：JVM可以通過安全管理器（Security Manager）實現對Java程式進行存取控制，限制程式對系統資源的存取，防止惡意程式碼執行或對系統造成危害。
位元組碼校驗：在將Java程式碼編譯成位元組碼之前，編譯器會對程式碼進行各種檢查，檢驗其是否符合Java語言規範和安全要求。JVM在執行位元組碼時會再次對其進行驗證，確保程式碼的安全性。
安全沙箱：JVM還提供了安全沙箱（Security Sandbox）機制，將Java程式執行在一個獨立的安全環境中，能夠限制其對檔案系統、網路等系統資源的存取，從而防止惡意程式碼對系統的攻擊。

【技術積累】Java中的JVM【一】