01-JVM 内存模型与 GC 原理

JVM 内存模型与 GC 原理解析

本文将从 JVM 内存模型入手,深入剖析各个区域的作用、GC 的运行机制与常见算法,并结合源码与面试思维,带你掌握 JVM 的底层世界。


一、JVM 内存模型(Java Memory Model)

JVM 将内存划分为若干区域,每个区域有其独立职责:

  • 程序计数器(线程私有)
  • 虚拟机栈(线程私有)
  • 本地方法栈
  • 堆(Heap)
  • 方法区(MetaSpace)

二、重点区域解析

2.1 堆(Heap)

  • 所有对象实例、数组存放在堆中。
  • -Xms-Xmx 设置堆初始与最大值。
  • GC 的核心目标区域。
java 复制代码
public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]);
        }
    }
}

💡 备注:

Q:什么情况下会抛出 OutOfMemoryError?

A:当申请内存超出堆最大容量时,GC 无法回收足够空间就会 OOM。

三、GC(垃圾回收)机制解析

GC 并非作用于所有内存区域,而是只关注堆和方法区。

3.1 常见垃圾回收算法

  • 标记-清除

  • 复制算法

  • 标记-整理

  • 分代回收

3.2 分代回收机制

JVM 将堆划分为:

  • 新生代(Young Generation)

  • 老年代(Old Generation)

具体如:

复制代码
Young Gen:
  Eden + SurvivorFrom + SurvivorTo
Old Gen:
  Tenured

四、主流 GC 垃圾收集器

收集器 作用代 算法 适用场景
Serial 新生代 复制 单线程小应用
ParNew 新生代 复制 多线程环境
CMS 老年代 标记清除 响应快
G1 整堆 分区整理 低延迟大内存
ZGC 整堆 并发标记复制 超大内存场景
复制代码
# 示例:开启 G1 收集器
-XX:+UseG1GC

五、GC 日志分析与调优

复制代码
-XX:+PrintGCDetails -Xloggc:gc.log

典型日志解读:

复制代码
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 512K->128K(768K)] 1024K->512K(1536K)]

含义:

  • Young GC 发生

  • Eden 区释放

  • 堆总容量变化

六、源码视角下的 GC 行为

G1为例:

java 复制代码
// G1GC 内部空间定义
class G1CollectedHeap : public CollectedHeap {
    ...
    HeapRegion* _regions;
}

G1Policy::record_collection_pause_end() 中控制回收行为:

cpp 复制代码
void G1Policy::record_collection_pause_end(...) {
    update_young_list_target_length();
    update_old_gen_estimates();
}

七、JVM 常见调优策略

  • 设置合适堆大小,避免频繁 Full GC:
bash 复制代码
-Xms2g -Xmx2g
  • 优化 GC 策略(G1 替代 CMS):
bash 复制代码
-XX:+UseG1GC
  • 利用 JVM 工具链(如 jmap、jstat、VisualVM)

📌 面试问答分析(Q&A)

💬 Q1:GC 会回收哪些区域?

✅ A1:只会回收堆和方法区(Java 8 开始为元空间 MetaSpace)。
💬 Q2:Minor GC 和 Full GC 有什么区别?

✅ A2:Minor 仅作用于新生代,速度快;Full 会触发老年代,速度慢。
💬 Q3:如何定位 OOM 的位置?

✅ A3:结合 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 输出内存快照,用 MAT 工具分析。

✅ 总结

本文从 JVM 的内存模型出发,详细解析了堆结构、GC 算法与主流收集器,结合日志调优与源码进行系统讲解,并融入了面试视角与实战经验。掌握 JVM 原理是 Java 工程师高阶进阶的必经之路。

📌 后续预告:下一篇将深入分析 Java 类加载机制及其破坏与替代方案,敬请期待。

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