写给Java程序员的Java虚拟机学习指南

Posted 2021-04-26 极客时间订阅号

大家好，我是极客时间《深入拆解 Java 虚拟机》作者、Oracle Labs 高级研究员郑雨迪。有幸借这篇文章的机会，能和大家分享为何 Java 工程师要学 Java 虚拟机？如何掌握 Java 虚拟机？

 工欲善其事，必先利其器

“为什么学 Java 虚拟机”这个问题，就和“为什么要学习数据结构和算法”是一个道理：工欲善其事，必先利其器。

我总结了三点必须要学好 Java 虚拟机的理由：

• Java 已然是一门主流的工程语言，拥有大量的应用。作为 Java 语言的执行引擎，Java 虚拟机的调优一直是热点话题，成为各大厂面试的压轴题。

• 此外，主流的 Java 虚拟机 -- 也就是 OpenJDK 的 HotSpot VM-- 是完全开源的。只要读得懂 C++ 代码，便能够绕开网络上的“二手”资料，直面 Java 实现的核心逻辑。

• Java 在不断地增添新特性、新功能，其中不少都“借鉴”自其他编程语言。同样，通过学习 Java 虚拟机，在遇到其他语言实现时也能够触类旁通，迅速地完成调优、排错工作。

另外，我注意到国内大厂不再只满足于使用开源项目，而是积极参与这些项目的开发。例如 Alibaba 在去年便已成为 OpenJDK 项目执行委员会的一员，可以左右 Java 语言的发展。一旦越来越多的大厂加大对底层、对这些开源项目的投入，势必会产生许多对高精尖技术专家的需求。

所以，作为一名 Java 程序员，在尽情享受 Java 虚拟机带来好处的同时，你还应该去了解和思考“这些技术特性是如何实现的”，去了解最底层的原理。只有熟悉 JVM，你才能在遇到 OutOfMemory 等异常时，不会束手无策，不会一脸懵逼的上网找解决办法，最后就算改了几个启动参数解决了问题，也还是云里雾里。

那该如何揭开 Java 虚拟机迷雾，深入底层，将 Java 虚拟机拿下？我分为 3 个阶段来分享，每个阶段大家又该具备哪些技能？

先附上一张我制作的「Java 虚拟机知识框架图」，涵盖了 Java 虚拟机的所有学习要点，建议保存。

 一、Java 虚拟机新手入门

虽然我们和语言朝夕相处，但不少人提及代码的详细运行过程也难免会一时语塞。这都是由于 Java 虚拟机封装得太好，让使用者几乎感觉不到它的存在，也导致不少初学者学习 Java 虚拟机时摸不着头脑，找不到脉络。

Java 虚拟机的基本原理及运行机制，对于初学者来说，是必须要掌握的，至少我是这么要求的。不然根基不牢，何来平地高楼起。

所以我也花了一整个模块的篇幅来逐次介绍 Java 虚拟机的设计决策以及工程实现，让大家在学习 Java 虚拟机时，可以知其然，也要知其所以然。

以下是专栏里的部分原理内容，大家对照着，看看是否已掌握。

• Java 代码有很多种运行方式，那 Java 虚拟机具体是怎样运行 Java 字节码的？第 1 讲 | Java 代码是怎么运行的？

• boolean 在 Java 虚拟机是以整数形式表示的 --0 代表 false，1 代表 true。那么 2 又代表什么呢？为什么要这样设计？第 2 讲 | Java 的基本类型

• 都说反射慢，究竟为什么慢？第 7 讲 | JVM 是如何实现反射的？

• 垃圾回收的原理是什么？如何优化？ 第 11 讲 | 垃圾回收

• Java 内存模型是在解决什么疑难杂症？ 第 13 讲 | Java 内存模型

 二、进阶 Java 虚拟机

告别了 GRUD 研究员，如果你想再进一步进阶，那么以下是知识点是你必须要掌握的。弄懂了这些，你基本上掌握了面试官 80% 的问题。

• 怎么判定对象已经“死去”？垃圾回收的原理是什么？ 第 11 讲 | 垃圾回收（上）

• Java 虚拟机的堆是如何划分的？ 第 12 讲 | 垃圾回收（下）

• Java 内存模型是在解决什么疑难杂症？ 第 13 讲 | Java 内存模型

• 如何用红绿灯类比 Java 虚拟机中的各项锁优化？第 14 讲 | Java 虚拟机是怎么实现 synchronized 的？

• 即时编译器有哪些优化？第 16 讲 | 即时编译（上）

• 即时编译器应用了哪些面向循环的编译优化？第 25 讲 | 循环优化

• JVM 垃圾回收算法

当然，我希望大家能系统学习 Java 虚拟机，而不是为了面试去刷题。更要的是希望这个专栏能激发出大家学习 Java 虚拟机乃至其他底层工作、前沿工作的热情。

就像我开设这个专栏一样，为不辜负大家的信任，我几乎每篇专栏都会大量阅读 HotSpot 的源代码，和同事讨论实现背后的设计理念，在这个过程中，我也发现了一些 HotSpot 中的 Bug，或者年久失修的代码，又或者是设计不合理的地方。苦中有乐，忙碌中又有惊喜。

 三、Java 虚拟机高手

在我的专栏中，有一条令我印象颇深的留言，讲的是他如何解决反射调用效率低下的问题。之所以印象深刻，是因为他的做法和 Java 虚拟机中附带的自动优化方式完全一致。换个角度来看，他其实已经具备为 Java 虚拟机设计优化的能力，也完全可以将这一优化实现回馈给 OpenJDK 社区。

举一反三，主动的解 t 决问题，且能回馈开源。这必然是高手需要具备的能力之一。

这时候大家必须去想的一个问题：如何让 Java（以及其他 Java 虚拟机语言，如 Scala、Kotlin 等）跑得更快？

主要分三个方面去考虑：

• 什么是虚方法调用？如何消除虚方法调用开销？第 20 讲 | 方法内联

• Java 虚拟机是如何进行硬件加速的？第 22 讲 | HotSpot 虚拟机的 intrinsic

• 我需要手工避免 new 语句吗？第 23 讲 | 逃逸分析

另外，我也推荐你看看专栏里这些内容，看看 JVM 的前沿技术热点：

• 第 34 讲 | Graal：用 Java 编译 Java

• 第 35 讲 | Truffle：语言实现框架

• 第 36 讲 | SubstrateVM：AOT 编译框架

再之，Java 虚拟机有很多工具，需要大家熟练掌握，比如 javap-- 能够将 class 文件反汇编人类可读格式的工具；OpenJDK 项目 Code Tools-- 包含了好几个实用小工具，又或者是 ASM--Java 字节码框架等等。