详解JVM - 技术栈

摘要：

JVM（Java虚拟机）是Java程序运行的核心，支持跨平台执行（"一次编译，到处运行"）。其架构分为类加载器（双亲委派机制）、运行时数据区（堆、方法区、虚拟机栈等）、执行引擎（解释器与JIT编译器）及本地接口。堆内存采用分代模型（新生代/老年代），垃圾回收（GC）通过Minor GC（新生代）和Full GC（整堆）自动管理内存，使用可达性分析标记对象，结合复制/标记-整理算法回收。调优参数如-Xmx设置堆大小，G1回收器通过分区平衡吞吐量与低延迟。常见问题包括OOM（堆/栈溢出）和GC停顿，需结合监控工具优化配置。

文章目录

- - 一、JVM基础概念
  - 二、JVM核心架构
  - - [1. 类加载器（Class Loader）](#1. 类加载器（Class Loader）)
    - [2. 运行时数据区（内存模型）](#2. 运行时数据区（内存模型）)
    - [3. 堆内存详细分区（分代模型）：](#3. 堆内存详细分区（分代模型）：)
    - [4. 执行引擎（Execution Engine）](#4. 执行引擎（Execution Engine）)
    - [5. 本地接口（JNI）](#5. 本地接口（JNI）)
  - 三、内存管理与垃圾回收（GC）
  - - [1. GC 触发条件与类型](#1. GC 触发条件与类型)
    - - [(1) Minor GC (新生代回收)](#(1) Minor GC (新生代回收))
      - [(2) **Major GC / Full GC (老年代或整堆回收)**](#(2) Major GC / Full GC (老年代或整堆回收))
    - [2. Minor GC 详细流程](#2. Minor GC 详细流程)
    - - [步骤 1：标记阶段](#步骤 1：标记阶段)
      - [步骤 2：复制与清理](#步骤 2：复制与清理)
      - [步骤 3：区域角色互换](#步骤 3：区域角色互换)
    - [3. Full GC 流程](#3. Full GC 流程)
    - - [1. 触发条件：](#1. 触发条件：)
      - [2. 执行过程：](#2. 执行过程：)
    - [4. 空间分配担保机制](#4. 空间分配担保机制)
    - [5. 垃圾回收器与算法应用](#5. 垃圾回收器与算法应用)
    - [6. GC 调优关键参数](#6. GC 调优关键参数)
    - [7. 对象生命周期与GC关系](#7. 对象生命周期与GC关系)
  - 四、JVM调优核心参数

JVM（Java Virtual Machine）是Java程序运行的核心环境，实现"一次编译，到处运行"的跨平台特性。其核心机制与架构如下：

一、JVM基础概念

定义与作用
- JVM是执行Java字节码（.class文件）的虚拟计算机，屏蔽底层操作系统差异。
- 核心功能：
  - 加载并解释字节码为机器指令；
  - 自动内存管理（分配/回收）；
  - 即时编译（JIT）优化热点代码。
跨平台原理
- Java源代码编译为字节码（与平台无关）；
- 不同平台的JVM将字节码翻译为本地机器指令执行。

二、JVM核心架构

JVM由四部分组成：

1. 类加载器（Class Loader）

加载.class文件到内存，生成Class对象。
双亲委派机制：优先由父加载器处理，避免重复加载。

2. 运行时数据区（内存模型）

包括以下区域：

区域	特性	作用	异常场景
堆（Heap）	线程共享，GC主要区域	存储对象实例与数组，GC主要区域	OutOfMemoryError: Java heap space（对象过多/内存泄漏）
方法区	线程共享（JDK8后称元空间）	存储类元信息、常量、静态变量、JIT编译代码	OutOfMemoryError: Metaspace（JDK8+类加载过多）
虚拟机栈	线程私有	存储方法调用的栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口）	StackOverflowError（栈深度超限）OutOfMemoryError（线程过多耗尽内存）
本地方法栈	线程私有	支持Native方法调用	同虚拟机栈
程序计数器	线程私有	存储当前线程执行的字节码指令地址，确保线程切换后能恢复执行位置	唯一无OutOfMemoryError的区域

注：

方法区演进‌：JDK7及之前称"永久代"（-XX:PermSize调节），JDK8+改为‌元空间‌（Metaspace），使用本地内存（-XX:MetaspaceSize调节）

栈帧结构‌：每个方法调用对应一个栈帧，包含局部变量（基础类型/对象引用）、操作数栈（计算中间结果）、动态链接（符号引用解析）、方法返回地址

3. 堆内存详细分区（分代模型）：

堆是GC核心区域，划分为新生代和老年代：
1. 新生代（Young Generation）‌

Eden区‌：新对象优先分配于此（大对象直接进老年代）
Survivor区‌：包括From（S0）和To（S1），存放Minor GC后存活的对象
晋升机制‌：对象经历15次Minor GC（默认）后进入老年代

2. 老年代（Old Generation）‌

存放长期存活对象，触发Major GC/Full GC

参数示例‌：

-Xms512m -Xmx2048m：堆初始/最大内存

-XX:NewRatio=2：老年代与新生代比例（2:1)

4. 执行引擎（Execution Engine）

解释器：实时解释字节码；
JIT编译器：将热点代码编译为本地机器码提升性能。

5. 本地接口（JNI）

调用C/C++等语言的本地库。

三、内存管理与垃圾回收（GC）

JVM 的垃圾回收（GC）过程是自动内存管理的核心，主要针对堆内存（新生代、老年代）和方法区（元空间），其详细介绍如下：

1. GC 触发条件与类型

(1) Minor GC (新生代回收)

触发条件：Eden 区空间不足时触发。
作用范围：仅清理新生代（Eden + Survivor 区）。

(2) Major GC / Full GC (老年代或整堆回收)

触发条件 ：
- 老年代空间不足；
- 方法区（元空间）不足；
- 显式调用 System.gc()（不推荐）。
作用范围：清理整个堆（新生代 + 老年代）+ 方法区。

2. Minor GC 详细流程

步骤 1：标记阶段

通过 可达性分析 从 GC Roots（如线程栈局部变量、静态变量）遍历引用链，标记存活对象。
使用 三色标记法（白/灰/黑）区分对象状态。

步骤 2：复制与清理

存活对象转移 ：
- 将 Eden 区存活对象复制到 To Survivor 区；
- 将 From Survivor 区 存活对象复制到 To Survivor 区。
年龄增长与晋升 ：
- 每经历一次 Minor GC，对象年龄 +1；
- 年龄 ≥ -XX:MaxTenuringThreshold（默认 15）时晋升老年代。
空间担保检查 ：
- 若 To Survivor 区空间不足，直接晋升老年代。

步骤 3：区域角色互换

清理 Eden 和 From Survivor 区的垃圾对象；
交换 From Survivor 和 To Survivor 的角色。

动态年龄判定：若某年龄对象总大小 > Survivor 区一半，则 ≥ 该年龄的对象直接晋升老年代。

3. Full GC 流程

1. 触发条件：

老年代空间不足（如晋升对象过多或大对象分配）；
方法区空间不足；
Minor GC 前空间担保失败（见下文）。

2. 执行过程：

标记-清除-整理 ：
1. 标记整个堆的存活对象；
2. 清除不可达对象；
3. 整理内存碎片（减少空间浪费）。
回收范围：新生代 + 老年代 + 方法区。

4. 空间分配担保机制

Minor GC 前，JVM 检查：
- 条件 1 ：老年代可用空间 > 新生代对象总大小 → 安全执行 Minor GC。
- 条件 2 ：若条件 1 不满足，则检查 -XX:HandlePromotionFailure：
  - 开启担保：比较 历史平均晋升大小 与老年代剩余空间：
    - 平均大小 < 剩余空间 → 执行 Minor GC；
    - 否则 → 先触发 Full GC。
  - 未开启担保：直接触发 Full GC。

5. 垃圾回收器与算法应用

区域	算法	回收器示例
新生代	复制算法	Serial、Parallel Scavenge
老年代	标记-整理/清除	CMS、G1、ZGC
整堆	分代收集	G1（分区回收）

G1 回收器特性

分区模型：将堆划分为等大 Region（1MB~32MB），优先回收垃圾最多的 Region。
可预测停顿 ：通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置目标停顿时间。

6. GC 调优关键参数

bash 复制代码

# 新生代配置  
-Xmn2g                          # 新生代大小  
-XX:SurvivorRatio=8             # Eden:Survivor=8:1  

# 晋升阈值  
-XX:MaxTenuringThreshold=15     # 晋升年龄  

# G1 优化  
-XX:+UseG1GC  
-XX:MaxGCPauseMillis=200        # 目标停顿时间  
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  # 触发GC的堆占用阈值

7. 对象生命周期与GC关系

注意：

大对象（如 > -XX:PretenureSizeThreshold）直接进入老年代；

方法区回收主要针对废弃常量和无用的类。

通过上述流程，JVM 在吞吐量（Parallel GC）与低延迟（G1/ZGC）间平衡，实现高效内存管理。

四、JVM调优核心参数

生产环境常见配置（以G1为例）：

bash 复制代码

# 基础配置  
-server -Xms4G -Xmx4G -Xmn2G  
# G1优化  
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200  
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  
# 内存与故障排查  
-XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=512m  
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=./heap/

说明：

-Xms/-Xmx：堆初始/最大大小（建议相等防扩容抖动）；

-XX:MaxGCPauseMillis：目标最大GC停顿时间；

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：触发GC的堆占用阈值。