🖥️ JVM 基础

本章系统梳理 JVM 的关键组成、内存模型、类加载、即时编译（JIT）、垃圾回收（GC）、常用诊断工具与调优思路，帮助你从“会用”走向“会定位与优化”。

1. JVM 概述

JVM（Java Virtual Machine）是 Java 字节码（.class）的运行时载体。它提供：

字节码解释与即时编译执行
自动内存管理（GC）
平台无关的抽象
安全沙箱与类加载隔离

现代 HotSpot JVM 由“解释器 + C1/C2 JIT 编译器 + GC + 运行时服务”构成。JDK 11+ 默认使用 G1 GC，JDK 17+ 引入 ZGC、Shenandoah 作为低停顿选择。

2. 运行时数据区（内存结构）

不同 JDK 版本术语略有不同，以下以 HotSpot 为主线。

2.1 堆（Heap）

存放对象实例与数组，由所有线程共享。
典型划分：新生代（Eden、Survivor）与老年代（Tenured）。
绝大多数对象“朝生夕死”，新生代使用复制算法更高效。

2.2 元空间（Metaspace）与方法区

JDK 8 起以本地内存实现 Metaspace（早期为永久代 PermGen）。
存放类元数据（类结构、常量池、方法元信息等）。
相关参数：-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize。

2.3 线程私有区

虚拟机栈（VM Stack）：方法调用帧、局部变量表、操作数栈。
本地方法栈（Native Method Stack）：为本地方法服务。
程序计数器（PC）：记录当前线程字节码执行位置。

2.4 直接内存（Direct Memory）

由 ByteBuffer.allocateDirect 等使用，绕过堆，减少一次拷贝。
大量网络 IO/零拷贝场景常见，需关注泄漏与上限。

3. 类加载子系统

3.1 双亲委派模型

类加载遵循：启动类加载器 → 扩展类加载器 → 应用类加载器（自顶向下委派）。

优点：安全、避免重复加载与类冲突。
破坏双亲委派：自定义 ClassLoader，或模块化、框架隔离（OSGi、Tomcat）。

3.2 类加载过程

加载（Loading）：读取字节码进内存，生成 Class 对象。
验证（Verification）：文件格式/元数据/字节码语义校验。
准备（Preparation）：为静态字段分配内存并设默认值。
解析（Resolution）：符号引用转为直接引用。
初始化（Initialization）：执行 <clinit> 静态初始化块。

3.3 常见问题

类重复加载、LinkageError、ClassNotFoundException、NoClassDefFoundError。
Fat-JAR 与容器环境下的类路径/模块路径冲突。

4. 执行引擎与 JIT（C1/C2/Graal）

4.1 解释与编译

解释器启动快；JIT 将热点方法编译为本地代码，吞吐量高。
C1（客户端编译器）偏向轻优化，C2（服务端编译器）更激进。
Graal JIT（JDK 11+ 可选）具备更强的优化潜力。

4.2 逃逸分析与标量替换

若对象不逃逸出方法，可进行栈上分配（理论层面）、同步消除、标量替换。
相关参数：-XX:+DoEscapeAnalysis（默认开启）。

4.3 分层编译与编译阈值

分层编译（TieredCompilation）综合 C1+C2 优势，默认开启。
热点统计来自解释执行的计数器与采样，触发编译阈值后进入优化。

5. Java 内存模型（JMM）与并发基础

5.1 可见性、有序性、原子性

可见性：volatile、锁与 final 语义保障。
有序性：happens-before 规则约束重排序。
原子性：基本读写与 Atomic* 类借助 CAS 实现。

5.2 关键规则（简要）

程序次序规则、监视器锁规则、volatile 变量规则、传递性规则等。
发布与逃逸：构造未完成的对象引用被其他线程观察到会破坏可见性。

5.3 常见并发隐患

指令重排导致的懒汉单例失效（需 volatile）。
双重检查锁定（DCL）正确写法：

java

public class Singleton {
    private static volatile Singleton INSTANCE;
    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

6. 垃圾回收（GC）算法与收集器

6.1 基础算法

标记-清除（Mark-Sweep）：产生碎片。
标记-复制（Mark-Copy）：新生代常用，吞吐好。
标记-整理（Mark-Compact）：老年代常用，减少碎片。

6.2 分代回收思想

新生代对象朝生夕死；老年代对象存活久。
Minor GC（新生代）、Major/Full GC（包含老年代/全堆）。

6.3 典型收集器

Serial/Parallel：吞吐优先。
CMS（JDK 9 标记为废弃）：并发标记清除，降低停顿但有碎片。
G1（JDK 9+ 默认）：Region 化，按预测停顿目标回收，混合收集。
ZGC（JDK 15+ 生产可用）：超低停顿（~毫秒级），区域化、着色指针。
Shenandoah（OpenJDK）：低停顿，Brooks pointer。

6.4 G1 关键概念

Region：将堆切分为若干小块，便于按需回收。
Remembered Set：记录跨区引用，支持独立回收。
Mixed GC：同时回收部分老年代 + 新生代，满足停顿目标。

6.5 常见 GC 参数（示例）

bash

# 堆与代大小
-Xms2g -Xmx2g
-XX:NewRatio=2               # 老年代:新生代 = 2:1（示例）
-XX:SurvivorRatio=8          # Eden:Survivor = 8:1:1

# 选择收集器
-XX:+UseG1GC                 # 使用 G1
# -XX:+UseZGC                # 使用 ZGC（JDK 15+）

# 停顿目标
-XX:MaxGCPauseMillis=200

# 元空间
-XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=1024m

# GC 日志（JDK 9+ 统一日志）
-Xlog:gc*:file=gc.log:tags,uptime,time,level

7. 常见内存与 GC 问题排查

7.1 OOM 类型

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
java.lang.StackOverflowError

7.2 分析思路

收集证据：GC 日志、堆转储（heap dump）、线程栈、系统指标。
工具辅助：jcmd、jmap、jstack、jstat、jfr（Flight Recorder）、VisualVM、MAT。
确认增长对象/泄漏路径：弱引用/缓存未清、线程本地变量、ClassLoader 泄漏、直接内存释放不及时等。

7.3 常用命令

bash

# 进程列表
jcmd

# 导出堆快照（可能触发 STW）
jcmd <pid> GC.heap_dump heap.hprof

# 概览 JVM 运行时与 GC 统计
jcmd <pid> GC.class_stats
jcmd <pid> GC.heap_info
jstat -gc <pid> 1000 10

# 线程快照
jstack <pid> > threads.txt

8. 对象分配与内存布局

8.1 TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

每个线程在 Eden 预分配一段小缓存，减少分配时的竞争。
失败回退到共享分配或老年代。

8.2 对象头与压缩指针

对象头包含 Mark Word + Klass Pointer。
-XX:+UseCompressedOops（默认开启）将 64 位指针压缩为 32 位，提高缓存命中。

8.3 锁优化

偏向锁、轻量级锁、重量级锁逐步升级。
偏向锁在 JDK 15 起默认移除，可通过参数控制旧版本行为。

9. 字符串与常量池

String 为不可变对象，JDK 9 起底层由 byte[] + 编码标志实现（Compact Strings）。
运行时常量池存放符号引用与字面量；String.intern() 可将字符串放入全局池以复用。

10. 类数据共享（CDS）与 AOT

CDS 通过预加载常用类到共享只读映像，加速启动、降低内存。
AppCDS 支持应用类共享（JDK 10+ 更完善）。
AOT（Ahead-of-Time）在某些发行版或 GraalVM Native Image 场景可用。

11. 生产调优套路（示例）

澄清目标：吞吐优先 vs 延迟优先。
选择收集器：G1（通用），ZGC/Shenandoah（低停顿），Parallel（吞吐）。
设定初始堆与上限一致（避免扩缩容抖动）。
观察 GC 日志与服务指标，确认是否由 GC 导致延迟。
热路径优化：减少短命大对象、避免无界缓存、审查序列化与反序列化。
工具定位：JFR 录制 + MAT 分析。

12. 实战示例：GC 日志解读（G1）

text

[3.456s][info][gc,start    ] GC(12) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)
[3.456s][info][gc,task     ] GC(12) Using 8 workers of 8 for evacuation
[3.462s][info][gc,mmu      ] GC(12) MMU target violated: 20.0ms (20.0ms/200.0ms)
[3.468s][info][gc,heap     ] GC(12) Eden regions: 12->0(10)
[3.468s][info][gc,heap     ] GC(12) Survivor regions: 2->3(4)
[3.468s][info][gc,heap     ] GC(12) Old regions: 30->30
[3.468s][info][gc          ] GC(12) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 24M->13M(2048M) 12.3ms

Evacuation：复制存活对象到 Survivor/Old。
MMU target violated：未满足最小可用性目标，可适当放宽 MaxGCPauseMillis 或调整新生代大小。

13. 常见“慢”的根因清单

频繁 Full GC：内存不足/晋升失败/元空间增长。
大对象频繁分配与回收：优化对象生命周期，复用缓冲。
过多小对象：考虑池化或批处理；关注装箱与临时集合。
类加载过多：反射/代理生成类泄漏，检查 ClassLoader 引用链。
I/O 或外部依赖阻塞导致线程堆积。

14. 版本差异与选择

JDK 8：PermGen→Metaspace，默认 Parallel（部分发行版）。
JDK 11：LTS，默认 G1，统一日志 -Xlog。
JDK 17：LTS，引入更稳定的 ZGC/Shenandoah，性能与诊断能力增强。

15. 小结与建议

优先明确目标（延迟/吞吐/成本），再选 GC 与参数。
用数据驱动：GC 日志 + JFR + 业务指标联动分析。
减少不必要的对象分配与跨代存活，控制常驻集合。
线上问题首选“抓证据”而非“拍脑袋调参”。

附录 A：常用参数备忘（参考）

bash

# 堆与元空间
-Xms4g -Xmx4g
-XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=2g

# G1 相关
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45
-XX:G1NewSizePercent=20
-XX:G1MaxNewSizePercent=60

# ZGC 相关（JDK 17+）
-XX:+UseZGC
-XX:ZUncommitDelay=300

# 统一日志（JDK 9+）
-Xlog:gc*,safepoint,class+load,class+unload:file=app-gc.log:time,level,tags

# 诊断开关
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
-XX:+LogVMOutput -XX:LogFile=vm.log

附录 B：工具与资料

JFR（Java Flight Recorder）、JMC（Mission Control）
MAT（Memory Analyzer）、VisualVM、async-profiler、Arthas
“深入理解 Java 虚拟机”（周志明）

掌握 JVM 原理可让你在性能优化、故障排查、容量规划上更为主动。建议结合“并发与线程”、“JVM 深入与性能调优”章节联读与实操。

🖥️ JVM 基础 ​

1. JVM 概述 ​

2. 运行时数据区（内存结构） ​

2.1 堆（Heap） ​

2.2 元空间（Metaspace）与方法区 ​

2.3 线程私有区 ​

2.4 直接内存（Direct Memory） ​

3. 类加载子系统 ​

3.1 双亲委派模型 ​

3.2 类加载过程 ​

3.3 常见问题 ​

4. 执行引擎与 JIT（C1/C2/Graal） ​

4.1 解释与编译 ​

4.2 逃逸分析与标量替换 ​

4.3 分层编译与编译阈值 ​

5. Java 内存模型（JMM）与并发基础 ​

5.1 可见性、有序性、原子性 ​

5.2 关键规则（简要） ​

5.3 常见并发隐患 ​

6. 垃圾回收（GC）算法与收集器 ​

6.1 基础算法 ​

6.2 分代回收思想 ​

6.3 典型收集器 ​

6.4 G1 关键概念 ​

6.5 常见 GC 参数（示例） ​

7. 常见内存与 GC 问题排查 ​

7.1 OOM 类型 ​

7.2 分析思路 ​

7.3 常用命令 ​

8. 对象分配与内存布局 ​

8.1 TLAB（Thread Local Allocation Buffer） ​

8.2 对象头与压缩指针 ​

8.3 锁优化 ​

9. 字符串与常量池 ​

10. 类数据共享（CDS）与 AOT ​

11. 生产调优套路（示例） ​

12. 实战示例：GC 日志解读（G1） ​

13. 常见“慢”的根因清单 ​

14. 版本差异与选择 ​

15. 小结与建议 ​

附录 A：常用参数备忘（参考） ​

附录 B：工具与资料 ​

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1. JVM 概述

2. 运行时数据区（内存结构）

2.1 堆（Heap）

2.2 元空间（Metaspace）与方法区

2.3 线程私有区

2.4 直接内存（Direct Memory）

3. 类加载子系统

3.1 双亲委派模型

3.2 类加载过程

3.3 常见问题

4. 执行引擎与 JIT（C1/C2/Graal）

4.1 解释与编译

4.2 逃逸分析与标量替换

4.3 分层编译与编译阈值

5. Java 内存模型（JMM）与并发基础

5.1 可见性、有序性、原子性

5.2 关键规则（简要）

5.3 常见并发隐患

6. 垃圾回收（GC）算法与收集器

6.1 基础算法

6.2 分代回收思想

6.3 典型收集器

6.4 G1 关键概念

6.5 常见 GC 参数（示例）

7. 常见内存与 GC 问题排查

7.1 OOM 类型

7.2 分析思路

7.3 常用命令

8. 对象分配与内存布局

8.1 TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

8.2 对象头与压缩指针

8.3 锁优化

9. 字符串与常量池

10. 类数据共享（CDS）与 AOT

11. 生产调优套路（示例）

12. 实战示例：GC 日志解读（G1）

13. 常见“慢”的根因清单

14. 版本差异与选择

15. 小结与建议

附录 A：常用参数备忘（参考）

附录 B：工具与资料