03JVM

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JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）是 Java 技术的核心组件，也是理解 Java 安全机制的基础。简单来说，JVM 是一个虚构的计算机（软件实现），它负责执行 Java 字节码（.class 文件），并为 Java 程序提供运行环境。

## 概述

Java 的口号是 “一次编写，到处运行（Write Once, Run Anywhere）”，而 JVM 正是这一特性的实现基础：

- 开发者编写的 Java 代码（.java 文件）会被编译器（javac）编译为**字节码（.class 文件）**，这是一种与平台无关的二进制指令。
- 不同操作系统（Windows、Linux、macOS 等）会安装对应的 JVM 实现（如 HotSpot、OpenJ9 等），JVM 负责将字节码 “翻译” 为当前系统可执行的机器码并执行。

因此，JVM 相当于一个 “中间层”，隔离了 Java 程序与底层操作系统，让同一份字节码能在不同平台上运行。

## 主要组成

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### 类加载器

负责将.class 文件（字节码）加载到 JVM 内存中，并转换为 JVM 可识别的 “类对象”（Class 对象）。

核心机制：**双亲委派模型**（防止恶意类篡改系统类，比如自定义一个java.lang.String类，会被父加载器拒绝加载，保障核心类的安全）。

### 允许时数据区

VM 在运行时划分的内存空间，用于存储程序数据，包括：

- 方法区（Method Area）：存储类信息、常量、静态变量等（JDK 8 后改为元空间 Metaspace，使用本地内存）。
- 堆（Heap）：存储对象实例（所有new出来的对象），是垃圾回收的主要区域。
- 虚拟机栈（VM Stack）：存储方法调用的局部变量、操作数栈等（线程私有，与方法执行生命周期一致）。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：为 Native 方法（如调用 C/C++ 的方法）提供内存支持。
- 程序计数器（Program Counter Register）：记录当前线程执行的字节码指令地址（线程私有，唯一不会 OOM 的区域）。

### **执行引擎**

负责执行字节码指令，有三种执行方式：

- 解释执行：逐条翻译字节码为机器码并执行（启动快，执行慢）。
- 即时编译（JIT，Just-In-Time）：将热点代码（频繁执行的代码）编译为本地机器码缓存，后续直接执行（执行快，启动稍慢，主流 JVM 默认启用）。
- 自适应优化：结合解释执行和 JIT，动态调整优化策略。

### 垃圾回收器

垃圾回收器-GC，Garbage Collector

自动管理堆内存中 “不再被使用的对象”（垃圾），释放内存空间，避免内存泄漏。常见的 GC 实现有 SerialGC、ParallelGC、G1、ZGC 等。

### **本地方法接口**

本地方法接口-JNI，Java Native Interface

允许 Java 代码调用本地语言（C/C++）编写的方法，扩展 Java 的能力（但也可能引入安全风险，比如本地方法不受 JVM 安全机制约束）。

## JVM 与Java

JVM 不仅是运行环境，更是 Java 安全机制的 “守护者”，很多安全特性依赖 JVM 实现。

### 字节码验证

类加载过程中，JVM 会对字节码进行严格校验，确保其符合 Java 规范（如指令合法性、类型安全、栈操作正确性等），防止恶意构造的字节码（如修改指令跳转、越界访问内存）破坏 JVM。

例如：反序列化漏洞中，攻击者构造的恶意字节流最终会被转换为字节码，字节码验证会拦截部分明显非法的指令，但复杂的攻击链可能绕过验证。

### 沙箱机制

JVM 早期为 Applet（网页小程序）设计了严格的权限控制，通过 “沙箱” 限制不可信代码的操作（如禁止访问本地文件、网络连接等）。

核心依赖：

- 安全管理器（SecurityManager）：已在 JDK 17 中弃用，曾是沙箱的核心，通过检查 “权限请求”（如FilePermission）决定是否允许操作。
- 访问控制器（AccessController）：替代 SecurityManager 的部分功能，基于 “保护域（ProtectionDomain）” 控制类的权限。

### 类加载安全

双亲委派模型确保系统核心类（如java.lang.String、java.net.Socket）只能由启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）加载，避免恶意类伪装成系统类窃取权限（比如伪造java.lang.System类执行恶意操作）。

### 内存安全

JVM 通过自动内存管理（GC）和类型检查，减少了 C/C++ 中常见的内存安全漏洞（如缓冲区溢出、野指针）。但 JVM 本身的漏洞（如 JIT 编译优化 bug）可能被利用（例如 2021 年的 Log4j 漏洞虽非 JVM 本身，但依赖 JVM 的类加载机制）。