本模組深入探討 Java 虛擬機器（JVM）的核心機制，從類別載入、記憶體模型到垃圾回收，幫助你理解 Java 程式碼從編譯到執行的完整生命週期。

為什麼需要深入理解 JVM？#

JVM 是 Java 生態系統的基石。深入理解 JVM 不僅能幫助你寫出更高效的程式碼，更能在系統出現效能瓶頸或記憶體問題時快速定位並解決問題。

作為 Java 開發者，你可能遇過以下問題：

  • 應用程式頻繁發生 Full GC，導致回應延遲
  • OutOfMemoryError 突然出現，但不知如何排查
  • 程式碼效能不如預期，卻找不到最佳化方向
  • 面對各種 JVM 參數，不知如何調校

這些問題的根源往往在於對 JVM 運作機制的不夠了解。本模組將系統性地帶你掌握 JVM 的核心知識。

模組內容概覽#

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     JVM 深入精通                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  01. 類別載入機制                                              │
│      ├─ 載入、連結、初始化三階段                                │
│      ├─ 雙親委派模型                                          │
│      └─ 自訂類別載入器                                        │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  02. JVM 記憶體模型                                           │
│      ├─ 堆積區、方法區、虛擬機器堆疊                            │
│      ├─ 物件記憶體佈局                                        │
│      └─ 各區域 OOM 場景分析                                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  03. 垃圾回收                                                 │
│      ├─ GC 演演算法：標記-清除、複製、標記-整理                    │
│      ├─ 垃圾回收器：Serial、Parallel、CMS、G1、ZGC             │
│      └─ 分代回收與安全點機制                                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  04. 位元組碼與執行引擎                                        │
│      ├─ 位元組碼結構與指令集                                   │
│      ├─ 方法呼叫機制                                          │
│      └─ JIT 即時編譯                                         │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  05. JVM 調校實戰                                             │
│      ├─ 常用 JVM 參數組態                                     │
│      ├─ 監控與診斷工具                                        │
│      └─ 效能調校案例                                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Java 程式碼的執行流程#

在深入各個主題之前，讓我們先建立一個整體的認知：Java 程式碼是如何被執行的？

┌──────────────┐     javac      ┌──────────────┐
│  .java 檔案   │  ──────────>  │  .class 檔案  │
│  (原始碼)     │               │  (位元組碼)    │
└──────────────┘               └───────┬──────┘
                                       │
                                       v
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Java 虛擬機器 (JVM)                        │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │               類別載入子系統                          │   │
│  │    載入 → 驗證 → 準備 → 解析 → 初始化                  │   │
│  └─────────────────────────┬───────────────────────────┘   │
│                            │                               │
│                            v                               │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │               執行時資料區域                          │   │
│  │  ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐   │   │
│  │  │  堆積區  │ │ 方法區   │ │ VM 堆疊  │ │ PC 暫存器│   │   │
│  │  └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘   │   │
│  └─────────────────────────┬───────────────────────────┘   │
│                            │                               │
│                            v                               │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │               執行引擎                               │   │
│  │    解譯器 + JIT 編譯器 (C1/C2) + 垃圾回收器           │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

HotSpot 虛擬機器採用混合執行模式：解譯器負責快速啟動，JIT 編譯器將熱點程式碼編譯成本機機器碼以提升執行效率。這種設計兼顧了啟動速度與長期執行效能。

學習路徑建議#

初學者路徑

如果你是 JVM 新手，建議按以下順序學習：

  1. 記憶體模型 - 先理解 JVM 的記憶體結構
  2. 類別載入 - 了解類別如何被載入到記憶體
  3. 垃圾回收 - 掌握記憶體如何被自動回收
  4. 位元組碼 - 深入理解程式碼執行細節
  5. 調校實戰 - 將理論應用到實際場景
進階學習路徑

如果你已有一定基礎，可以重點關注：

  1. G1/ZGC 深入 - 現代垃圾回收器的原理與調校
  2. JIT 編譯最佳化 - 理解編譯器如何最佳化你的程式碼
  3. 效能問題排查 - 實戰案例分析與工具使用
  4. JVM 參數調校 - 針對不同場景的最佳實踐

實用工具清單#

工具用途使用場景
javap反組譯 class 檔案查看位元組碼指令
jps列出 Java 程序查找目標 JVM 程序 ID
jstatJVM 統計監控監控 GC、類別載入等
jmap記憶體映射產生堆積傾印
jstack執行緒堆疊排查死鎖、執行緒問題
jconsole圖形化監控即時監控 JVM 狀態
VisualVM綜合分析工具效能分析、記憶體分析
JOL物件佈局分析分析物件記憶體佈局
ASM位元組碼操作動態生成或修改類別

開始學習#

選擇以下任一主題開始你的 JVM 深入之旅：

Backward 例外處理 類別載入機制 Forward