1-1-1 Java深度强化-JVM内存模型与GC机制

安卓老王
34 阅读7分钟

好的，这是一个非常核心的Java面试和性能调优话题。我将系统地为你讲解JVM内存模型（通常指运行时数据区）和垃圾回收机制，并阐明它们之间的联系。

一、JVM内存模型（运行时数据区）

JVM在执行Java程序时，会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有不同的用途、创建和销毁时间。

核心区域可以分为两大类：线程共享的和线程私有的。

1. 线程共享的区域（所有线程共享同一份）

  • 堆

    • 作用：存放所有对象实例和数组。是GC管理的主要区域，因此也叫“GC堆”。
    • 特点：
      • 在JVM启动时创建，是内存中最大的一块。
      • 为了GC效率，现代JVM堆内存通常进一步划分为：
        • 年轻代：新创建的对象首先放在这里。分为一个Eden区和两个Survivor区。
        • 老年代：在年轻代中经历多次GC后仍存活的对象，会被晋升到这里。
        • 元空间：JDK8+ 替代了永久代，存放类元信息、方法区数据、常量池等。使用本地内存，理论上只受操作系统限制。
    • 异常：OutOfMemoryError（当堆无法扩展时抛出）。

  • 方法区

    • 作用：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
    • 具体实现：
      • JDK7及以前：称为“永久代”，是堆的一部分。
      • JDK8及以后：称为“元空间”，使用本地内存，不再属于堆。
    • 运行时常量池：是方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
    • 异常：OutOfMemoryError。

2. 线程私有的区域（每个线程独有一份）

  • 程序计数器

    • 作用：指向当前线程正在执行的字节码指令的地址。是控制流程（分支、循环、跳转、异常处理）的基础。
    • 唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

  • 虚拟机栈

    • 作用：描述Java方法执行的内存模型。每个方法执行时，JVM会同步创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
    • 栈帧：方法从调用到执行完成，对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
    • 异常：
      • StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度（如无限递归）。
      • OutOfMemoryError：如果栈可以动态扩展，但扩展时无法申请到足够内存。

  • 本地方法栈

    • 作用：与虚拟机栈类似，区别在于它为JVM使用的本地方法服务。
    • 异常：同样会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

二、垃圾回收机制

GC负责自动管理堆内存，回收不再使用的对象占用的空间。其核心是解决三个问题：

  1. 哪些内存需要回收？（对象存活判定）
  2. 什么时候回收？
  3. 如何回收？（GC算法）

1. 对象存活判定

  • 引用计数法：给对象添加一个引用计数器，有引用则+1，引用失效则-1。为0时回收。无法解决循环引用问题，Java主流JVM未采用。
  • 可达性分析算法：Java主要使用的方法。
    • 通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起点，向下搜索，走过的路径称为“引用链”。如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，则证明此对象不可用。
    • GC Roots 包括：
      • 虚拟机栈中引用的对象（局部变量）。
      • 本地方法栈中JNI引用的对象。
      • 方法区中静态属性引用的对象（静态变量）。
      • 方法区中常量引用的对象（如字符串常量池里的引用）。
      • 所有被同步锁持有的对象。
      • JVM内部引用（如类加载器、基本类型对应的Class对象）。

2. GC算法（如何回收）

  • 标记-清除
    • 过程：先标记所有需要回收的对象，标记完成后统一回收。
    • 缺点：产生内存碎片，效率一般。
  • 标记-复制
    • 过程：将内存分为两块，每次只使用一块。GC时，将存活对象复制到另一块，然后清空已使用块。
    • 优点：无碎片，高效。
    • 缺点：内存利用率只有50%。常用于年轻代的Survivor区。
  • 标记-整理
    • 过程：标记所有存活对象，然后将它们向内存空间的一端移动，然后清理掉边界以外的内存。
    • 优点：无内存碎片。
    • 缺点：移动对象成本高。常用于老年代。

3. 分代收集理论（现代JVM GC的基础）

根据对象存活周期的不同，将堆内存划分为年轻代和老年代，从而采用最合适的收集算法。

  • 年轻代：对象“朝生夕死”，回收频繁。
    • 算法：使用标记-复制算法，因为存活对象少，复制成本低。
    • 过程：新对象在Eden区创建。当Eden满时，触发 Minor GC。将Eden和其中一个Survivor中存活的对象复制到另一个Survivor区，同时对象年龄+1。当对象年龄达到阈值（默认15），则晋升到老年代。
  • 老年代：对象存活时间长。
    • 算法：使用标记-清除或标记-整理算法。
    • 触发条件：老年代空间不足时，触发 Full GC（通常会伴随一次Minor GC，对整堆进行回收，速度慢）。
  • 元空间：回收类元信息、废弃的常量和类加载器。

4. 常见垃圾收集器（GC算法的实现）

  • 年轻代收集器：
    • Serial：单线程，STW（Stop-The-World，暂停所有应用线程），简单高效，适合Client模式。
    • ParNew：Serial的多线程版本，需与CMS配合。
    • Parallel Scavenge：多线程，目标是达到可控制的吞吐量。
  • 老年代收集器：
    • Serial Old：Serial的老年代版本。
    • Parallel Old：Parallel Scavenge的老年代版本，注重吞吐量。
    • CMS：以最短回收停顿时间为目标，采用“标记-清除”算法，过程复杂，已逐步被G1替代。
  • 全堆收集器：
    • G1：将堆划分为多个大小相等的独立区域，可以同时兼顾年轻代和老年代。它建立一个可预测的停顿时间模型，优先回收价值最大的区域。
    • ZGC / Shenandoah：新一代超低延迟（STW时间控制在10ms以内）的收集器，使用读屏障、染色指针等技术。

三、内存模型与GC机制的联系

  1. 管理范围：GC机制主要管理和回收的内存区域是堆和方法区（元空间）。程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这三个区域随线程生灭，内存自动释放，不涉及GC。
  2. 设计依据：JVM内存模型中的堆分区（年轻代/老年代）是分代收集理论的具体实现。这种划分是为了让GC算法能更高效地工作。
  3. 触发条件：GC的发生直接由内存模型各区域的容量状态触发（如Eden区满触发Minor GC，老年代满触发Full GC）。
  4. 分析基础：进行GC问题排查（如内存泄漏）时，必须结合内存模型分析对象在堆中的分配、引用和存活路径。

总结

特性JVM内存模型GC机制
核心关注点内存如何划分和组织，各个区域的作用和生命周期。内存如何自动回收和整理，确保可用空间。
主要交互区域堆、方法区（元空间）是GC的主战场。管理堆和方法区（元空间）。
关系GC机制是基于内存模型（特别是堆结构）而设计的。内存模型的划分（如分代）是为了让GC更高效。GC是维护内存模型（尤其是堆）健康运转的核心机制。

简单来说：内存模型定义了“战场”的布局，而GC机制是在这个“战场”上进行清理和维护的“后勤部队”。理解两者是进行JVM性能监控和调优的基础。

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