JVM核心知识整理《1》

找不到、了2025-11-06 15:33

前言

  1. JVM 内存结构（运行时数据区）？哪些是线程共享的？
  2. 对象创建过程？对象在堆中如何分配？
  3. GC 算法有哪些？CMS vs G1 vs ZGC 的区别？
  4. 线上频繁 Full GC，如何排查？（工具链：jstat/jmap/MAT/GC 日志）
  5. JVM 调优参数：-Xmx、-XX:+UseG1GC、-XX:MaxGCPauseMillis？
  6. 类加载机制？双亲委派模型？如何打破？

1、JVM 内存结构（运行时数据区）？哪些是线程共享的？

根据《Java 虚拟机规范》，JVM 在运行时将内存划分为若干个运行时数据区 ，分为 线程私有 和 线程共享 两类。

一、线程私有区域（每个线程独立拥有）

  1. 程序计数器（Program Counter Register）
  • 作用：记录当前线程正在执行的字节码指令地址（行号）；
  • 特点 ：
    • 线程切换后能恢复执行位置；
    • 是唯一不会发生OutOfMemoryError 的区域；
    • 若执行 Native 方法，计数器值为空（Undefined）。
  1. Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）
  • 作用 ：存储栈帧（Stack Frame），每个方法调用创建一个栈帧；
  • 栈帧包含 ：
    • 局部变量表（Local Variables）：存放方法参数、局部变量；
    • 操作数栈（Operand Stack）：执行字节码指令的临时空间；
    • 动态链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的方法引用；
    • 方法返回地址（Return Address）：方法退出后返回位置。
  • 异常 ：
    • StackOverflowError：递归过深，栈深度超限；
    • OutOfMemoryError：栈可动态扩展但内存不足（较少见）。
  1. 本地方法栈（Native Method Stack）
  • 作用 ：为 Native 方法（如 JNI 调用 C/C++）服务；
  • 实现 ：HotSpot 虚拟机将 Java 栈和本地方法栈合并实现；
  • 异常：同虚拟机栈。

二、线程共享区域（所有线程共用）

  1. 堆（Heap）
  • 唯一目的 ：存放所有对象实例和数组（JVM 规范要求，但 JIT 优化可能栈上分配）；
  • GC 主战场：新生代（Young）、老年代（Old）；
  • 参数 ：
    • -Xms：初始堆大小；
    • -Xmx：最大堆大小；
  • 异常 ：java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space
  1. 方法区（Method Area）
  • 存储内容 ：
    • 类的元数据（Class 结构、字段/方法信息、字节码）；
    • 运行时常量池（Runtime Constant Pool）；
    • 静态变量（static 字段）；
    • JIT 编译后的代码缓存。
  • JDK 演进 ：
    • JDK 1.6 及之前 ：由 永久代（PermGen） 实现，位于堆内；
    • JDK 1.7：字符串常量池、静态变量移至堆；
    • JDK 1.8+ ：永久代移除，由 元空间（Metaspace） 实现，使用本地内存（Native Memory）。
  • 异常 ：
    • JDK 8+：java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace；
    • JDK 7-：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。

💡 关键澄清：

  • 方法区 ≠ 永久代：永久代是 HotSpot 对方法区的旧实现；
  • 字符串常量池在 JDK 1.7+ 已移至堆中，不在 Metaspace。

三、直接内存（Direct Memory）------ 非运行时数据

  • 来源：NIO 的 ByteBuffer.allocateDirect()；
  • 特点 ：
    • 不受 -Xmx 限制；-Xms
    • 分配/回收成本高，但读写性能好（避免堆内拷贝）；
  • 异常：OutOfMemoryError（本地内存耗尽）。

四、线程共享总结

区域 是否线程共享 说明
堆 ✅ 所有对象实例
方法区 ✅ 类元数据、常量池、静态变量
程序计数器 ❌ 每线程独立
虚拟机栈 ❌ 每线程独立
本地方法栈 ❌ 每线程独立

五、最佳实践

  • 提到 逃逸分析 + 栈上分配：JVM 可能将对象分配在栈上（避免堆分配）；
  • 举例：在高频交易系统中，通过 -XX:+DoEscapeAnalysis 优化对象分配；
  • 强调：Metaspace 默认无上限，生产环境必须设置 -XX:MaxMetaspaceSize=256M。

2、对象创建过程？对象在堆中如何分配？

对象创建看似简单(new Object())，实则涉及 JVM 多个子系统的协作。

一、对象创建的 5 个步骤

  1. 类加载检查
  • JVM 遇到 new 指令时，先检查常量池中是否有该类的符号引用；
  • 若无，先触发 类加载（加载、验证、准备、解析、初始化）。
  1. 分配内存
  • 指针碰撞（Bump the Pointer） ：
    • 适用：Serial、ParNew 等带压缩整理的 GC；
    • 堆内存规整（已用/未用分界清晰），只需移动指针。
  • 空闲列表（Free List） ：
    • 适用：CMS 等标记-清除 GC；
    • 堆内存碎片化，维护一个空闲内存块列表。

💡 如何保证并发安全？

  • CAS + 失败重试：分配指针更新时用 CAS；
  • TLAB（Thread Local Allocation Buffer）：每个线程预分配一小块私有内存（默认开启 -XX:+UseTLAB），避免竞争。
  1. 初始化零值
  • 将分配到的内存空间初始化为零值（不包括对象头）；
  • 保证对象实例字段在 Java 代码未赋值前可安全使用（如 int = 0,boolean=false）。
  1. 设置对象头
  • Mark Word：存储哈希码、GC 分代年龄、锁状态（偏向/轻量/重量）；
  • Klass Pointer：指向类元数据（Metaspace 中的 Class 对象）。
  1. 执行 < init**> 方法**
  • 调用构造函数，初始化成员变量；
  • 此时对象才真正"可用"。

二、对象在堆中的内存布局

部分 内容 大小（64 位 JVM）
对象头（Header） Mark Word（4/8） + Klass Pointer（4/8）（+数组长度） 12 字节（默认，未开启指针压缩）
实例数据（Instance Data） 成员变量（按继承顺序 + 字段对齐） 可变
对齐填充（Padding） 保证对象大小为 8 字节倍数 0--7 字节

🔧 指针压缩（Compressed Oops）：

  • -XX:+UseCompressedOops（默认开启）；
  • class Pointer 从 8 字节 → 4 字节；
  • 对象头从 16 字节 → 12 字节。

三、最佳实践

  • 提到 对象年龄：每经历一次 Minor GC 未被回收，年龄 +1，最大 15（4 位）；
  • 举例：在压测中通过 -XX:-UseTLAB 观察到分配性能下降 30%；
  • 强调：大对象（> Eden 区一半）直接进入老年代，避免 Survivor 复制开销。

3、GC 算法有哪些？CMS vs G1 vs ZGC 的区别？

一、基础 GC 算法（理论）

算法 原理 优点 缺点
标记-清除（Mark-Sweep） 标记存活对象，清除死亡对象 简单 内存碎片
复制（Copying） 将存活对象复制到另一块内存 无碎片、高效 内存利用率 50%
标记-整理（Mark-Compact） 标记后将存活对象向一端移动 无碎片 移动成本高
分代收集（Generational） 新生代（复制）、老年代（标记-清除/整理） 符合"弱代假设" 实现复杂

二、主流 GC 器对比（CMS vs G1 vs ZGC）-XX:+UseZGC

特性 CMS G1 ZGC
目标 低延迟（<100ms） 可预测停顿（<200ms） 超低延迟（<10ms）
适用堆大小 < 4GB 4GB -- 100GB > 100GB（支持 TB 级）
是否分代 ✅ ✅ ❌（不分代）
核心算法 并发标记-清除 分 Region + 标记-整理 并发标记 + 并发整理
停顿时间 初始标记、重新标记（STW） 初始标记、最终标记（STW） 仅标记根（<1ms）
内存碎片 ✅（严重） ❌（整理） ❌（整理）
JDK 版本 JDK 5--13（JDK 14+ 废弃） JDK 7u4+（默认 JDK 9+） JDK 11+（生产可用）
关键参数 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseG1GC -XX:+UseZGC

三、深度解析

  1. CMS（Concurrent Mark Sweep）
  • 阶段 ：
    1. 初始标记（STW）
    2. 并发标记
    3. 重新标记（STW）
    4. 并发清除
  • 致命缺陷 ：
    • 并发模式失败（Concurrent Mode Failure）：老年代满时退化为 Serial Old（Full GC，STW 数秒）；
    • 内存碎片：无法分配大对象时触发 Full GC。
  1. G1（Garbage First）
  • 核心思想 ：
    • 将堆划分为 2048 个 Region（大小 1--32MB）；
    • 每次回收价值最高的 Region（Garbage First）；
    • 混合回收（Mixed GC）：年轻代 + 部分老年代。
  • 优势 ：
    • 可预测停顿（-XX:MaxGCPauseMillis=200）；
    • 无内存碎片。
  1. ZGC（Z Garbage Collector）
  • 革命性设计 ：
    • 着色指针（Colored Pointer）：利用 64 位指针的高位存储元数据；
    • 读屏障（Load Barrier）：在读取对象时修正指针；
  • 优势 ：
    • 停顿时间与堆大小无关（<10ms）；
    • 支持 TB 级堆。

四、最佳实践

  • 提到 Shenandoah GC（Red Hat 主导，类似 ZGC）；
  • 举例：将 CMS 升级为 G1 后，Full GC 从每天 10 次降至 0；
  • 强调：ZGC 需要 Linux 64 位 + JDK 11+，且关闭指针压缩。

4、线上频繁 Full GC，如何排查？

Full GC 会暂停所有应用线程（Stop-The-World），频繁发生会导致服务卡顿甚至不可用。

一、常见原因

  1. 内存泄漏（最常见）

    • 静态集合不断 add 对象（如 static Map 缓存未清理）；
    • 未关闭的资源（数据库连接、文件流、网络连接）；
    • ThreadLocal 未 remove，线程复用导致内存堆积。

  2. 大对象直接进入老年代

    • 对象大小 > Eden + 一个 Survivor 空间；
    • 避免 Survivor 复制开销，直接分配到老年代。

  3. 对象过早晋升

    • 年轻代过小，Minor GC 频繁；
    • 对象在 Survivor 区熬过 15 次 GC（默认 MaxTenringThreshold=15）后进入老年代。

  4. Metaspace 不足

    • 动态类加载过多（如 Spring CGLib、Groovy 脚本）；
    • 类加载器泄漏，类无法卸载；
    • 触发 Full GC 尝试卸载类，若仍不足则 OOM。

  5. GC 策略问题

    • CMS：老年代碎片化，无法分配大对象，触发 Full GC；
    • G1：Mixed GC 未能及时回收，退化为 Full GC。

  6. 显式调用System.gc()

    • 某些框架（如 RMI）默认每小时调用一次；
    • 可通过-XX:+DisableExplicitGC禁用。

二、排查步骤（工具链）

1.开启 GC 日志（启动参数）：

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

分析 Full GC 频率、老年代使用率、Metaspace 增长趋势。

2.实时监控：

bash 复制代码 
jstat -gc <pid> 1000  # 每秒输出 GC 统计

关注 OU（老年代使用量）、MU（Metaspace 使用量）。

3.堆内存分析：

java 复制代码 
jmap -histo:live <pid>        # 查看存活对象分布
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>  # 生成堆转储

4.线程分析（排除死锁/阻塞）：

java 复制代码 
jstack <pid> > thread.txt

三、优化建议

  • 调整年轻代大小：-Xmn；
  • 避免大对象，拆分数据结构；
  • 使用 G1 或 ZGC 替代 CMS；
  • 添加 -XX:+DisableExplictGC。

四、最佳实践

  • 提到 Arthas 的 heapdump 命令；
  • 举例：曾通过 MAT 发现 ThreadLocal 泄漏，修复后 Full GC 从每分钟 1 次降至 0；
  • 强调：Full GC 不一定是内存不足，也可能是 GC 策略不合理。

5、JVM 调优参数：-Xmx、-XX:+UseG1GC、-XX:MaxGCPauseMillis？

JVM 调优的核心是 平衡吞吐量、延迟、内存占用。以下是关键参数详解。

一、堆内存参数

参数 说明 建议
-Xms 初始堆大小 = -Xmx（避免动态扩容）
-Xmx 最大堆大小 物理内存 50%--70%（留内存给 OS/直接内存）
-Xmn 新生代大小 1/3 堆（默认），高并发可调大
-XX:Metaspace Metaspace 初始阈值 默认 20.8MB，避免频繁 GC
-XX:MaxMetaspaceSize Metaspace 上限 必设！如 256m

二、GC 算法参数

参数 说明 适用场景
-XX:+UseG1GC 启用 G1 GC 堆 > 4GB，要求停顿 < 200ms
-XX:MaxGCPauseMillis=200 期望最大停顿时间 G1 会据此调整回收策略
-XX:G1HeapRegionSize G1 Region 大小 默认 1--32MB，大堆可调大
-XX:+UseZGC 启用 ZGC 超大堆（>100GB），停顿 <10ms
-XX:+DisableExplicitGC 禁用System.gc() 防止 Full GC

三、诊断与监控参数 -XX:+HeapDumpPath=/data

参数 说明
-Xloggc:gc.log 输出 GC 日志
-XX:+PrintGCDetails 打印 GC 详细信息
-XX:+PrintGCDateStamps GC 日志带时间戳
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError OOM 时自动生成堆转储
-XX:+HeapDumpPath=/data 堆转储路径

四、调优原则

  1. 先监控，再调优：开启 GC 日志，观察 1--3 天；
  2. 新生代调优 ：Minor GC 频率高 → 调大 -Xmn；
  3. 老年代调优：Full GC 频繁 → 检查内存泄漏 or 调大堆；
  4. Metaspace 调优：动态类加载多 → 调大 MaxMetaspace。

五、最佳实践

  • 提到 JFR（Java Flight Recorder）：JDK 11+ 内置性能分析工具；
  • 举例：通过 -XX:MaxGCPauseMillis=100 将 G1 停顿从 300ms 降至 80ms；
  • 强调：不要盲目调大堆，可能增加 GC 停顿时间。

6、类加载机制？双亲委派模型？如何打破？

一、类加载的 5 个阶段

阶段 作用 是否可定制
加载（Loading） 获取类的二进制字节流，生成 Class 对象 ✅（自定义 ClassLoader）
验证（Verification） 确保字节流符合 JVM 规范（文件格式、元数据、字节码、符号引用） ❌
准备（Preparation） 为 static 变量分配内存并设初值（如 int=0） ❌
解析（Resolution） 将符号引用转为直接引用 ❌（或延迟到初始化）
初始化（Initialization） 执行 <clinit> 方法（static 块、static 变量赋值） ❌

💡 注意：

  • 准备阶段：public static int value = 123; ---->value = 0;
  • 初始化阶段：value = 123;

二、类加载器（ClassLoader）层次

加载器 加载路径 说明
Bootstrap ClassLoader <JAVA_HOME>/lib C++ 实现，加载核心类（如 java.lang.*）
Extension ClassLoader <JAVA_HOME>/lib/ext 加载扩展类
Application ClassLoader -classpath 加载用户类（默认）
自定义 ClassLoader 任意 继承 ClassLoader

三、双亲委派模型（Parents Delegation Model）

  1. 工作流程
  • 当一个类加载器收到加载请求：
    1. 先委托父加载器加载；
    2. 父加载器递归向上，直到 Bootstrap；
    3. 若父加载器无法加载，自己才尝试加载。
  1. 优点
  • 避免重复加载：核心类（如 String）只会被 Bootstrap 加载；
  • 安全性：防止用户自定义java.lang.String篡改核心 API。
  1. 源码体现
java 复制代码 
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查是否已加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 2. 委托父加载器
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
            if (c == null) {
                // 3. 自己加载
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

四、如何打破双亲委派？

  1. SPI 机制（Service Provider Interface）
  • 场景：JDBC 的 DriverManager 加载数据库驱动；
  • 问题：Bootstrap 加载 DriverManager，但驱动是用户类（Application 加载）；
  • 解决方案 ：线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）
  1. 热部署 / 模块化
  • OSGi：每个模块有自己的 ClassLoader，可独立加载/卸载；
  • Tomcat：每个 WebApp 有独立 WebAppClassLoader，优先加载 WEB-INF/lib。

3. 自定义 ClassLoader 重写 loadClass()

  • 不调用 super.loadClass()，直接 findClass()；
  • 风险：可能破坏安全性。

五、最佳实践

  • 提到 JDK 9 模块化（JPMS） 对类加载的影响；
  • 举例：在插件系统中用自定义 ClassLoader 实现热加载；
  • 强调：双亲委派是默认行为，打破需有充分理由。
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