JVM | 从内存模型到辣鸡回收

bigkangkang
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前言

当前文章只代表个人初学理解，若有问题，欢迎指出，蟹蟹~

一、内存模型

区域划分

  1. 堆： 存放实例对象；其中又被划分成：新生代、老年代，默认比例1：2，新生代中又区分Eden区、Surivivor区（survivor From、Survivor to），默认比例8：1：1。堆也是主要进行垃圾回收的区域。
  2. 方法区（元数据区）： 存放虚拟机加载的：类型信息，域（Field）信息，方法（Method）信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码缓存。
  3. 程序计数器： 记录线程执行的字节码行号。
  4. 虚拟机栈： 保存了每次方法调用的信息。每一次执行方法都会往虚拟机栈中压入一个栈帧（每个栈帧中具有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口）。
  5. 本地方法栈： 存放native方法。

总结

image.png 图来自

Java类加载机制是JVM在运行时动态加载类的核心机制，其核心流程分为加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。以下是各环节的详细功能说明：

二、类加载机制

1️⃣ 加载（Loading）

  • 功能：将类的.class文件二进制数据读入内存，并生成对应的java.lang.Class对象。
  • 核心步骤：
    • 通过类的全限定名（如java.lang.String）获取字节流（如从JAR包、网络、动态代理生成等）。
    • 将字节流转换为方法区的运行时数据结构。
    • 在堆内存中创建Class对象，作为方法区数据的访问入口。
  • 类加载器：
    • Bootstrap ClassLoader：加载JRE核心库（如rt.jar）。
    • Extension ClassLoader：加载jre/lib/ext目录下的扩展类。
    • Application ClassLoader：加载用户类路径（ClassPath）的类。
    • 自定义类加载器：实现特殊加载需求（如热部署、模块化）。

2️⃣ 验证（Verification）

  • 功能：确保字节流符合JVM规范，防止恶意代码破坏虚拟机安全。
  • 验证内容：
    • 文件格式验证：检查魔数（0xCAFEBABE）、版本号等。
    • 元数据验证：检查语义（如是否有父类、是否继承final类）。
    • 字节码验证：确保方法逻辑合法（如类型转换、跳转指令）。
    • 符号引用验证：检查引用的类、方法、字段是否存在（发生在解析阶段）。

3️⃣ 准备（Preparation）

  • 功能：为类的静态变量分配内存并设置初始值。
  • 关键点：
    • 仅分配类变量（static变量），实例变量在对象实例化时分配。
    • 初始值为零值（如int初始化为0，boolean为false）。
    • 若变量是static final常量（如public static final int x = 123），直接赋值为定义值。

4️⃣ 解析（Resolution）

  • 功能：将常量池中的符号引用替换为直接引用。
  • 符号引用：用一组符号描述引用的目标（如java.lang.Object）。
  • 直接引用：指向目标的指针、偏移量或句柄。
  • 解析目标：
    • 类/接口解析（如com.example.MyClass）。
    • 字段解析（如MyClass.myField）。
    • 方法解析（如MyClass.myMethod()）。

5️⃣ 初始化（Initialization）

  • 功能：执行类构造器<clinit>()方法，完成静态变量赋值和静态代码块逻辑。
  • 关键规则：
    • JVM保证子类初始化前，父类已初始化。
    • <clinit>()由编译器自动生成，合并所有静态变量赋值和静态代码块。
    • 多线程环境下，JVM会加锁确保仅初始化一次。

类加载的触发时机

  • 主动引用（触发初始化）：
    • new对象、访问静态变量/方法（非final常量）、反射调用类。
    • 初始化子类时，父类未初始化会触发父类初始化。
  • 被动引用（不触发初始化）：
    • 通过子类引用父类的静态字段。
    • 定义类的数组（如MyClass[] arr = new MyClass[10]）。
    • 访问static final常量（值在编译期确定）。

双亲委派模型（Parent Delegation）

  • 机制：类加载请求优先委派给父加载器处理，若父类无法完成，子加载器才尝试加载。
  • 目的：
    • 避免重复加载，确保核心类（如java.lang.Object）唯一性。
    • 防止用户自定义类替换核心类（安全沙箱）。

类卸载（Unloading）

  • 条件：类的Class对象无引用，且对应的类加载器被回收。
  • 场景：由JVM的垃圾回收机制自动完成，常见于动态生成的类（如JSP、OSGi）。

示例流程：

public class MyClass {
    public static int x = 10; // 准备阶段x=0，初始化阶段x=10
    static {
        System.out.println("Initialized!"); // 初始化阶段执行
    }
}
  1. 加载：找到MyClass.class并创建Class对象。
  2. 验证：检查字节码合法性。
  3. 准备：为x分配内存并赋初始值0。
  4. 解析：处理System.out的符号引用。
  5. 初始化：执行<clinit>()，将x设为10，打印“Initialized!”。

通过这一机制，JVM实现了类的动态加载、安全隔离和高效内存管理。

三、垃圾回收

以下是Java垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制的详细解析，涵盖核心原理、算法及实践要点：

垃圾回收的本质

目标：自动回收不再使用的对象内存，避免内存泄漏，减少手动内存管理的复杂性。

关键概念

  1. 堆内存结构（以HotSpot VM为例）：

    • 新生代（Young Generation）
      • Eden区：对象初次分配区域
      • Survivor区（From/To）：存活对象过渡区
    • 老年代（Old Generation）：长期存活对象
    • 元空间（Metaspace）：类元信息（替代永久代）

  2. 对象存活判定：

    • 引用计数法（Java未采用）：循环引用问题
    • 可达性分析（Java核心算法）：
      • 从GC Roots（栈局部变量、静态变量、JNI引用等）出发，不可达对象标记为垃圾

经典垃圾回收算法

算法过程优点缺点应用场景
标记-清除1. 标记存活对象
2. 清除未标记对象		简单内存碎片CMS老年代回收
复制算法将存活对象复制到新内存区无碎片，高效内存利用率50%新生代（Eden→Survivor）
标记-整理标记后压缩存活对象到内存一端无碎片移动对象开销大Serial Old、G1
分代收集新生代用复制，老年代用标记-清除/整理针对不同生命周期优化需配合不同算法实现所有现代JVM

垃圾收集器对比

收集器工作模式特点适用场景
Serial单线程简单高效，全程STW客户端小内存应用
Parallel多线程吞吐量优先（JDK8默认）后台计算型应用
CMS并发低停顿，分四阶段：初始标记→并发标记→重新标记→并发清除响应优先的Web应用
G1分区+并发将堆划分为Region，可预测停顿（JDK9+默认）大内存混合负载
ZGC并发+染色指针亚毫秒级停顿（<10ms），支持TB级堆超低延迟金融/电信系统
Shenandoah并发与ZGC竞争，低延迟且无需额外硬件支持通用低延迟场景

内存分配与回收策略

  1. 对象优先在Eden分配
    • 新生代内存不足时触发 Minor GC
  2. 大对象直接进老年代
    • 通过-XX:PretenureSizeThreshold设定阈值（默认0，由收集器决定）
  3. 长期存活对象晋升老年代
    • 年龄计数器（-XX:MaxTenuringThreshold，默认15）
  4. 动态年龄判定
    • Survivor区中相同年龄对象总大小超过Survivor一半时，≥该年龄的对象直接晋升

GC触发条件

GC类型触发条件
Minor GCEden区满时
Full GC1. 老年代空间不足
2. 方法区（元空间）不足
3. 调用System.gc()等

调优关键指标

  • 吞吐量：用户代码运行时间 / (用户代码时间 + GC时间)
    （通常要求 > 95%）
  • 停顿时间：单次GC导致应用暂停的时长
    （CMS/G1目标：100-200ms；ZGC目标：<10ms）
  • 内存占用：堆空间大小与系统物理内存的平衡

常用JVM参数示例

// 基础配置
-Xms4g -Xmx4g                 // 堆初始/最大内存
-XX:NewRatio=2                // 新生代:老年代=1:2
-XX:SurvivorRatio=8           // Eden:Survivor=8:1:1

// 收集器选择
-XX:+UseG1GC                  // 启用G1
-XX:+UseConcMarkSweepGC       // 启用CMS

// GC日志
-XX:+PrintGCDetails 
-XX:+PrintGCDateStamps 
-Xloggc:/path/to/gc.log

GC优化实践

  1. 避免过早晋升老年代
    • 增加新生代大小（-Xmn）
    • 增大Survivor区（调整-XX:SurvivorRatio）
  2. 降低Full GC频率
    • 监控老年代使用率（jstat -gcutil）
    • 避免大量短生命周期大对象
  3. 选择合适收集器
    • 小堆（<4G）：Parallel GC
    • 中等堆（4-16G）：G1 GC
    • 超大堆（>16G）：ZGC/Shenandoah

监控工具推荐

  • 命令行：jstat、jmap、jcmd
  • 图形工具：VisualVM、JConsole、GCViewer
  • APM工具：Prometheus+Grafana（配合JMX exporter）

示例分析：

// 内存泄漏典型场景：静态集合持有对象引用
public class MemoryLeak {
    static List<byte[]> list = new ArrayList<>();
    public static void main(String[] args) {
        while(true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 不断向老年代填充对象
        }
    }
}
  • 现象：频繁Full GC，最终OutOfMemoryError
  • 解决方案：检查长生命周期集合的清理逻辑

通过合理配置垃圾回收策略，可以在吞吐量、延迟、内存占用之间取得最佳平衡，这是Java高性能应用调优的核心技能之一。

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