一、JVM 核心定位与概述
1. JVM 全称与定义
JVM = Java Virtual Machine ，Java虚拟机 ，是运行所有Java程序的核心运行环境 ，是Java语言的基石。
JVM本质是一个软件模拟的计算机 ，有自己的指令集、内存区域、寄存器等，能识别并执行Java编译后的字节码文件（.class）。
2. JVM 核心使命（Java的核心优势）
实现 Java 的 一次编写，到处运行 (Write Once, Run Anywhere) 跨平台特性：
- Java源码（
.java）编译为与平台无关的字节码（.class），不直接编译为操作系统的机器码； - 不同操作系统（Windows/Linux/Mac）安装对应版本的JVM，由JVM负责将字节码解析/编译为当前系统的机器码执行；
- 程序员无需关注底层系统差异，JVM屏蔽了所有平台相关的细节。
3. JVM 核心地位
Java 程序运行链路：Java源码(.java) → 编译器 → 字节码(.class) → JVM → 机器码 → CPU执行
✅ 结论：JVM是连接Java字节码与操作系统的桥梁，没有JVM，Java程序无法运行。
4. JVM 核心特性
- 跨平台：一套字节码，所有平台的JVM均可执行；
- 自动内存管理：核心的垃圾回收(GC) 机制，无需程序员手动申请/释放内存；
- 面向对象支持：完美实现Java的封装、继承、多态等特性；
- 安全可靠：提供类加载校验、内存沙箱等安全机制，防止恶意代码执行。
二、JVM 整体架构
JVM是一个完整的执行体系，整体分为三大核心模块，执行流程自上而下，缺一不可：
✅ 模块一：类加载子系统
负责将磁盘中的 .class 字节码文件，加载到JVM的内存中（方法区），并完成加载、验证、准备、解析、初始化 5个核心步骤，最终生成可执行的Java类对象。
✅ 模块二：运行时数据区（内存结构）
JVM的核心内存划分，所有加载的类信息、程序运行的变量、线程数据都存储在这里。
《Java虚拟机规范》强制划分的内存区域，下文单独详细讲解。
✅ 模块三：执行引擎
负责执行加载后的字节码指令，核心包含3个组件：
- 解释器：逐行解析字节码执行，优点是启动快，缺点是执行效率低；
- JIT编译器（即时编译器）：将热点代码（频繁执行的代码） 一次性编译为机器码，缓存后重复执行，大幅提升执行效率；
- 本地方法接口(Native Method Interface)：调用C/C++编写的本地方法库（.dll/.so），执行native修饰的方法。
补充：JVM的执行策略是「解释执行 + 编译执行」混合模式，兼顾启动速度和运行效率。
三、JVM 运行时数据区
核心前置原则
JVM的运行时数据区，按线程归属 分为两大核心类别，这个分类是所有考点的基础，必须牢记：
✅ 线程私有区域 ：每个线程独立拥有一份，生命周期与线程一致，线程创建时分配，线程销毁时释放，无GC回收 ；
✅ 线程共享区域 ：所有线程共用一份，生命周期与JVM一致，只有在JVM停止时才释放，是垃圾回收(GC)的核心区域。
🔴 第一类：线程私有内存区域（3个）
1. 程序计数器 (Program Counter Register)
核心定义
一块极小的内存空间，也叫PC寄存器，JVM规范中唯一不会抛出内存溢出(OutOfMemoryError)的区域。
核心作用
- 存储当前线程执行Java方法时，下一条要执行的字节码指令地址/行号索引；
- 执行native本地方法时，值为 Undefined（未定义）；
- 支撑多线程抢占式调度：线程切换时保存执行位置，恢复时继续执行，实现「断点续跑」；
- 记录方法调用的返回地址，保证方法嵌套调用后正确返回。
核心特性
线程私有、无GC、无OOM、读写效率极致（寄存器级别）。
2. 虚拟机栈 (Java Virtual Machine Stack)
核心定义
每个线程创建时都会分配一个虚拟机栈，栈内存储的核心单元是 栈帧(Stack Frame) ，一个栈帧对应一个Java方法的一次调用过程 。
方法调用时，栈帧入栈；方法执行完毕，栈帧出栈，栈帧的生命周期与方法调用一致。
栈帧核心组成
每个栈帧包含：局部变量表 、操作数栈 、动态链接 、方法返回地址，存储了方法执行的所有上下文信息。
核心特性
- 线程私有，栈的深度由JVM参数控制；
- 无GC回收，栈帧随方法调用自动创建/销毁；
常见异常
- StackOverflowError：栈深度溢出，比如无限递归调用方法，栈帧不断入栈，超出栈的最大深度；
- OutOfMemoryError：虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时申请不到足够内存，抛出该异常。
3. 本地方法栈 (Native Method Stack)
核心定义
与虚拟机栈功能完全一致，唯一区别是：虚拟机栈服务于Java方法，本地方法栈服务于native本地方法。
核心特性
- 线程私有，存储native方法的执行上下文；
- 同样会抛出
StackOverflowError和OutOfMemoryError异常； - 不同JVM对本地方法栈的实现不同，比如HotSpot虚拟机直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
🔴 第二类：线程共享内存区域（2个 垃圾回收核心区）
1. 堆 (Heap)
核心定义
JVM启动时创建，是JVM中内存占比最大、最核心的区域 ，也是垃圾回收(GC)的主战场，几乎所有的对象实例和数组都在堆中分配内存。
核心地位
- 堆是Java程序运行的核心内存区，所有线程共享，也是内存溢出最常见的区域；
- 堆的大小可以通过JVM参数动态调整，是JVM调优的核心目标。
堆的内存细分
JVM的堆内存采用 分代收集思想 划分，核心依据是：对象的存活周期不同，垃圾回收的策略不同，分为两大区域，细分3块：
✅ 新生代 (Young Generation) ：占堆内存的1/3左右，存储新创建的对象、存活周期短的对象
- 新生代内部再分：Eden区（伊甸园） + 两个Survivor区（S0区、S1区，也叫From区、To区），默认比例
8:1:1； - 核心特点：对象创建和销毁频繁，垃圾回收频率高，回收速度快，采用「复制算法」
✅ 老年代 (Old Generation) ：占堆内存的2/3左右，存储存活周期长的对象
- 核心特点：对象经过新生代多次GC后仍存活，会被晋升到老年代；回收频率低，单次回收耗时久，采用「标记-整理算法」。
堆的核心异常
OutOfMemoryError: Java heap space → 堆内存溢出，创建的对象过多，内存不足，GC无法回收足够内存。
核心补充
堆内存中还有一个 永久代(PermGen) ，JDK8之前归属于堆，JDK8及以后被 元空间(Metaspace) 替代，永久代彻底移除。
2. 方法区 (Method Area)
核心定义
线程共享的内存区域，也叫「永久代」（JDK8前），存储JVM加载的类的元数据信息，是Java类的「说明书」。
存储内容
- 类的全限定名、访问修饰符、字段信息、方法信息；
- 常量池、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存；
- 父类和接口的引用、方法字节码等。
核心特性
- 线程共享，生命周期与JVM一致；
- 方法区的内存也会被GC回收，回收内容是：无用的类信息、常量池中的废弃常量；
永久代 vs 元空间（JDK8重大变更）
✅ JDK7及之前：方法区的实现是 永久代(PermGen) ，属于堆内存的一部分，大小固定，容易溢出；
✅ JDK8及之后：永久代被 元空间(Metaspace) 彻底替代，元空间不再属于堆内存，而是直接使用操作系统的本地内存 ；
✅ 变更原因：永久代大小固定，容易触发 OutOfMemoryError: PermGen space，元空间使用本地内存，内存上限更高，溢出概率大幅降低。
方法区核心异常
- JDK7及之前：
OutOfMemoryError: PermGen space永久代溢出； - JDK8及之后：
OutOfMemoryError: Metaspace元空间溢出。
✔️ 延伸：运行时常量池 (Runtime Constant Pool)
属于方法区的一部分，是.class文件中「常量池」的运行时版本，存储字符串常量、字面量、符号引用等，是String的intern()方法核心依赖，也是方法区的重要组成部分。
四、JVM 类加载机制
1. 类加载的核心定义
类加载子系统将磁盘中的 .class 字节码文件，加载到JVM的方法区，并在堆中生成对应的java.lang.Class对象，这个过程就是类加载，只加载一次，复用永久。
2. 类的完整生命周期（7步）
一个Java类从被加载到JVM内存，到最终被卸载，完整生命周期分为7个步骤，顺序固定，核心是前5步的类加载过程 ：
核心步骤详解
- 加载：通过类的全限定名，读取.class文件到方法区，生成Class对象；
- 验证：校验.class文件的合法性，防止恶意字节码、文件损坏，保证安全；
- 准备：为类的静态变量 分配内存，并赋上默认初始值（如int=0、String=null）；
- 解析：将常量池中的符号引用 替换为直接引用（内存地址）；
- 初始化：执行静态代码块、为静态变量赋程序员指定的初始值，是类加载的核心步骤；
- 使用：程序调用类的方法、访问字段，正常使用类；
- 卸载：类的Class对象被GC回收，类的元数据信息从方法区移除，只有极少场景会触发。
3. 类加载器的分类（4类）
类加载的执行者是类加载器，JVM内置3类核心类加载器，开发者可自定义第4类，按加载优先级从高到低排序：
- 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：最顶层，C/C++编写，加载JDK的核心类库（rt.jar），无父类加载器；
- 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：加载JDK扩展类库（jre/lib/ext），父类是启动类加载器；
- 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：加载项目的classpath下的类，是程序默认的类加载器，父类是扩展类加载器；
- 自定义类加载器：继承ClassLoader，开发者自定义加载规则，比如加载磁盘/网络中的.class文件。
4. 双亲委派模型
核心定义
JVM类加载的核心机制：一个类加载器收到类加载请求时，首先将请求委托给父类加载器，只有父类加载器无法加载时，子类加载器才会自己加载。
核心优点
- 保证类的唯一性：同一个类只会被加载一次，避免重复加载；
- 保证核心类的安全：核心Java类（如java.lang.String）只能被启动类加载器加载，防止恶意代码篡改核心类；
- 实现类的分层加载：核心类库由顶层加载，业务类由应用加载，职责清晰。
五、JVM 垃圾回收 GC（Garbage Collection） 核心全解
核心前置说明
GC是JVM的灵魂特性 ，也是Java的核心优势：自动回收不再使用的对象内存，无需程序员手动释放 ，彻底解决了C/C++的内存泄漏问题。
GC的核心回收区域：堆内存 + 方法区 ，线程私有区域无GC回收；GC的核心对象：堆中的对象实例。
✅ 1. 垃圾回收的核心前提：如何判断对象是「垃圾」？
GC的第一步：识别堆中哪些对象是「存活」的，哪些是「死亡（垃圾）」的，JVM有2个核心算法，目前主流是第2个：
① 引用计数法
- 原理：给每个对象加一个引用计数器，被引用时+1，引用失效时-1，计数器为0则是垃圾；
- 缺点：无法解决循环引用问题（A引用B，B引用A，计数器都不为0，永远无法回收），JVM已弃用。
② 可达性分析算法
- 原理：以 GC Roots（GC根节点） 为起点，向下遍历对象的引用链，没有被引用链连接的对象，就是垃圾对象；
- GC Roots 包含哪些对象：虚拟机栈的栈帧中的局部变量 、方法区的静态变量 、方法区的常量 、本地方法栈的native引用。
- 优点：完美解决循环引用问题，是所有JVM的默认垃圾判断算法。
✅ 2. 4种引用类型（按优先级从高到低）
Java的引用类型决定了对象的回收优先级，是GC的核心基础：
- 强引用：最普通的引用（Object obj = new Object()），只要强引用存在，对象永远不会被GC回收，是内存溢出的主要原因；
- 软引用：内存充足时不回收，内存不足时才回收，适合做缓存（SoftReference）；
- 弱引用：只要触发GC，无论内存是否充足，都会回收，适合做临时缓存（WeakReference）；
- 虚引用：最弱的引用，仅用于监听对象被GC回收的事件，无实际引用意义（PhantomReference）。
✅ 3. 经典垃圾回收算法（4种）
GC的核心算法，JVM的垃圾回收器都是基于这些算法实现的，按使用场景分类，分代收集的核心依据：
① 标记-清除算法 (Mark-Sweep)
- 原理：分两步 → 标记：标记所有存活对象；清除：回收未标记的垃圾对象；
- 优点：实现简单；
- 缺点：产生内存碎片，内存碎片过多会导致无法分配大对象，触发频繁GC。
② 标记-复制算法 (Mark-Copy)
- 原理：将内存分为大小相等的两块，只使用一块；GC时标记存活对象，复制到另一块内存，然后清空当前块；
- 优点：无内存碎片，回收效率高；
- 缺点：内存利用率低（仅50%）；
- 适用场景：新生代（对象存活率低，复制成本低），也是新生代的默认算法。
③ 标记-整理算法 (Mark-Compact)
- 原理：分三步 → 标记：标记存活对象；整理：将存活对象向内存一端移动；清除：清空另一端的垃圾对象；
- 优点：无内存碎片，内存利用率100%；
- 缺点：整理阶段需要移动对象，耗时较长；
- 适用场景：老年代（对象存活率高，整理成本低于复制成本），也是老年代的默认算法。
④ 分代收集算法 (Generational Collection)
- 原理：不是独立算法，是组合策略 → 新生代用「标记-复制」，老年代用「标记-整理/标记-清除」；
- 核心依据：新生代对象存活短、回收频繁，复制算法效率高；老年代对象存活长、回收少，整理算法更合适；
- 地位：所有JVM的默认GC策略，是目前最优的垃圾回收思路。
✅ 4. 常用垃圾回收器（5种）
垃圾回收器是GC算法的具体实现，不同回收器有不同的特性、适用场景，JVM支持组合使用，核心分类：新生代回收器 + 老年代回收器，以下是主流的5种，按版本排序：
新生代回收器（2种）
- Serial GC（串行回收器）：单线程回收，暂停所有用户线程（STW），效率低，适合单核、小内存应用；
- ParNew GC（并行回收器）：Serial的多线程版本，多核环境下效率提升，是CMS回收器的默认新生代搭档。
老年代回收器（5种）
-
Parallel GC（并行回收器） ：JDK8 默认的垃圾回收器 ，新生代+老年代都支持并行回收，追求最大吞吐量，适合后台计算、批量处理等无界面应用；
-
CMS GC（并发标记清除） ：以最短停顿时间为目标，并发执行，减少STW时间，适合响应时间敏感的应用（如电商、金融），缺点是产生内存碎片、CPU占用高；
-
G1 GC（Garbage First） ：JDK9 默认的垃圾回收器，JVM的终极回收器之一，兼顾吞吐量和停顿时间，将堆划分为多个区域，优先回收垃圾多的区域，无内存碎片，适合大内存、高并发应用；
-
ZGC（Z垃圾回收器） ：JDK15正式转正，以极致低延迟（≤10ms） 为核心目标，支持TB级超大内存，通过染色指针 、读屏障 和内存多重映射技术实现并发回收，无内存碎片，适合超大内存、核心低延迟业务（如金融高频交易）；
-
Shenandoah GC（神龙回收器） ：JDK17正式转正，以极致低延迟为核心目标，对标ZGC，无着色指针设计兼容性更好，CPU开销更低，支持TB级内存，无内存碎片，适合超大内存低延迟业务（ZGC的优秀替代方案）；
核心补充：STW = Stop The World，GC时暂停所有用户线程，是GC的核心性能指标，STW时间越短，应用的响应性越好。
六、JVM 常见内存溢出(OOM)异常汇总
内存溢出（OutOfMemoryError，简称OOM）是JVM最常见的故障，指JVM申请不到足够的内存空间，分类型整理，含原因+解决方案：
✅ 1. OOM: Java heap space → 堆内存溢出
- 原因：创建的对象过多、对象存活时间过长，堆内存不足，GC无法回收；
- 解决方案：调大堆内存参数（-Xms初始堆内存、-Xmx最大堆内存），排查内存泄漏、减少大对象创建。
✅ 2. OOM: StackOverflowError → 虚拟机栈溢出
- 原因：方法递归调用过深、栈帧过多，超出虚拟机栈的最大深度；
- 解决方案：优化递归逻辑，调大栈内存参数（-Xss）。
✅ 3. OOM: PermGen space → 永久代溢出（JDK7及之前）
- 原因：加载的类过多、常量池过大，永久代内存不足；
- 解决方案：调大永久代参数（-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize）。
✅ 4. OOM: Metaspace → 元空间溢出（JDK8及之后）
- 原因：加载的类过多、元数据信息过大，元空间使用的本地内存不足；
- 解决方案：调大元空间参数（-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize）。
✅ 5. OOM: Direct buffer memory → 直接内存溢出
- 原因：使用NIO的DirectByteBuffer申请的直接内存过多，超出限制；
- 解决方案：调大直接内存参数（-XX:MaxDirectMemorySize）。
七、JVM 性能调优核心
1. 调优核心原则
- 调优是最后手段：先优化代码、解决内存泄漏、减少大对象，再进行JVM调优；
- 调优核心目标：减少GC频率、缩短STW时间、提升吞吐量/响应时间；
- 分代调优：新生代调优为主，老年代调优为辅，新生代的GC频率远高于老年代。
2. 常用核心JVM启动参数
所有参数都是在Java启动时指定，是调优的核心工具，按功能分类：
✔️ 堆内存参数（最核心）
-Xms2G：设置堆的初始内存为2G，建议与-Xmx一致，避免内存扩容的开销；-Xmx4G：设置堆的最大内存为4G；-XX:NewRatio=2：新生代:老年代 = 1:2，默认比例；-XX:SurvivorRatio=8：新生代中Eden:S0:S1 = 8:1:1，默认比例。
✔️ 垃圾回收器参数
-XX:+UseParallelGC：使用Parallel并行回收器（JDK8默认）；-XX:+UseG1GC：使用G1回收器（JDK9默认，推荐）；-XX:+UseZGC：使用ZGC回收器（JDK15+支持，需手动开启）；-XX:+UseShenandoahGC：使用Shenandoah回收器（JDK17+支持，需手动开启）；-XX:+PrintGCDetails：打印详细GC日志，排查GC问题必备；-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：开启内存溢出时自动保留dump文件（核心参数）；-XX:HeapDumpPath=/path/to/dumpfile.hprof：指定内存溢出dump文件的保存路径（可选，默认生成在JVM启动目录）；
✔️ 其他核心参数
-Xss1M：设置每个线程的虚拟机栈内存为1M；-XX:MetaspaceSize=256M：设置元空间初始内存；
3. 调优核心步骤
- 开启GC日志，记录GC的频率、STW时间、内存占用；
- 分析日志，判断是内存不足还是GC策略不合理；
- 调整堆内存大小、新生代比例、垃圾回收器；
- 压测验证，对比调优前后的吞吐量、响应时间；
- 迭代优化，直到达到业务要求。
八、JVM 高频考点
✅ 考点1：JVM运行时数据区分为哪些部分？线程私有/共享分别有哪些？
- 线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈；
- 线程共享：堆、方法区（元空间）。
✅ 考点2：为什么程序计数器不会发生OOM？
程序计数器是一块极小的、固定的内存空间，存储的内容只有指令地址，内存大小不会增长，因此永远不会溢出。
✅ 考点3：GC的判断对象是否为垃圾的算法是什么？GC Roots包含哪些？
- 核心算法：可达性分析算法；
- GC Roots：虚拟机栈的局部变量、方法区的静态变量、常量、本地方法栈的native引用。
✅ 考点4：新生代和老年代分别使用什么垃圾回收算法？为什么？
- 新生代：标记-复制算法，因为新生代对象存活率低，复制成本低，无内存碎片；
- 老年代：标记-整理算法，因为老年代对象存活率高，整理成本低于复制成本，无内存碎片。
✅ 考点5：双亲委派模型的原理和优点是什么？
- 原理：子类加载器先委托父类加载器加载类，父类加载失败才自己加载；
- 优点：保证类的唯一性、保证核心类的安全、实现类的分层加载。
✅ 考点6：JDK8对JVM的核心变更是什么？
永久代被元空间替代，元空间使用操作系统的本地内存，不再属于堆内存，解决了永久代溢出的问题。
✅ 考点7：JDK8和JDK9的默认垃圾回收器分别是什么？
JDK8默认Parallel GC，JDK9默认G1 GC。
九、核心总结（JVM知识图谱）
- JVM是Java的运行核心，核心价值是跨平台+自动内存管理；
- 运行时数据区是核心，线程私有无GC，线程共享是GC主战场；
- 类加载机制是基础，双亲委派模型保证类的安全和唯一性；
- GC是灵魂，可达性分析+分代收集是核心，G1是目前最优的回收器；
- 调优是手段，先优化代码再调参数，核心目标是减少GC开销。
JVM的知识点看似繁杂，但所有考点都围绕「内存结构、类加载、GC」三大核心展开。