JVM 核心基础｜运行时数据区、类加载机制、GC 分代回收

一、JVM 运行时数据区

JVM 在执行 Java 程序时，会把内存划分为多个不同用途的区域，部分区域随线程创建销毁，部分全局共享。

线程私有（随线程而生、随线程而灭）

1. 程序计数器（PC 寄存器） 唯一一个不会发生 OOM 的内存区域。用来记录当前线程正在执行的字节码行号，线程切换后恢复执行位置。
2. 虚拟机栈（Java 栈） 存储栈帧，每调用一个方法就创建一个栈帧。栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。 方法递归过深会抛出StackOverflowError；栈动态扩展内存不足会 OOM。
3. 本地方法栈 作用和虚拟机栈类似，专门为 Native 本地方法服务。

线程共享（全局，GC 主要作用区域）

1. 堆 Heap Java 堆是 GC 的主战场，几乎所有对象实例、数组都在堆中分配。 堆分为新生代与老年代：

• 新生代：Eden 伊甸区 + 两个 Survivor 幸存区（S0、S1），比例默认 8:1:1
• 老年代：存放长期存活的对象

1. 元空间 Metaspace（元数据区） JDK8 之后取代永久代，使用操作系统本地内存，不再占用堆空间。存储类元信息、常量、静态变量等。

记忆口诀：私有 PC、两栈；共享堆、元空间。

二、类加载的五个阶段

Class 文件从磁盘加载到 JVM 内存，最终生成 Class 对象，一共 5 个阶段：加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化

1. 加载阶段 & 三大类加载器

依据全限定类名，找.class文件，读取文件内容；

双亲委派模型发生在加载阶段。JVM 内置 3 个类加载器：

BootstrapClassLoader（启动类加载器） 由 C++ 编写，没有对应的 Java 对象实例。负责加载JAVA_HOME/lib下核心 rt.jar 等 Java 基础核心类（java.lang.*等）。

ExtensionClassLoader（扩展类加载器） Java 实现，父加载器是启动类加载器。加载JAVA_HOME/lib/ext目录下扩展 jar 包。

ApplicationClassLoader（应用程序类加载器，系统类加载器） Java 实现，父加载器是扩展类加载器。加载我们项目 classpath 下自己写的代码和第三方依赖包，也是我们代码默认的类加载器。

双亲委派模型：收到类加载请求，优先向上委托父加载器尝试加载，父加载器无法加载时，当前加载器才自己加载。 作用：避免类重复加载；保障核心类库安全，防止自定义恶意java.lang.String覆盖原生类。

2.验证 校验字节码文件格式、语义合法性，防止恶意 / 损坏的 Class 文件破坏 JVM。

3.准备 为静态变量分配内存 ，赋予默认初始值 ，不是代码中设置的值。 例：static int num = 10，准备阶段 num = 0，等到初始化阶段才赋值 10。

4.解析: 针对字符串常量 将常量池中的符号引用 替换为直接引用。

5.初始化 真正执行静态代码块、静态变量自定义赋值，执行类的静态逻辑。针对类对象进行填充，也会触发父类的加载（父类没加载过）

三、GC 垃圾回收机制

GC 核心思想：分代回收，根据对象存活周期采用不同回收算法，age在对象头里。

1. 新生代：复制算法

新生代对象大多朝生夕灭，存活率低，适合复制算法。 Eden 区占 80%，S0、S1 各占 10%，同一时刻只有一块幸存区可用。

• Eden 区满时，触发 Minor GC，Eden 存活对象复制到空闲 Survivor，清空 Eden；
• 下次 GC，Eden + 当前 Survivor 存活对象复制到另一块空 Survivor，两块 Survivor 来回交换；
• 对象熬过多次 GC，年龄达标后晋升到老年代。

2. 老年代：标记 - 整理算法

老年代对象存活时间长、存活率高，不适合复制算法。 标记存活对象，之后将存活对象向内存一端移动，清理边界以外垃圾。优点：没有内存碎片。

补充对比：标记 - 清除算法，标记垃圾然后直接清除，实现简单，但会产生大量内存碎片。

3. 常见垃圾收集器

• Serial：单线程收集器，全程 STW，简单高效，客户端使用。
• Parallel Scavenge + Parallel Old：多线程收集器，优先追求吞吐量。
• CMS：老年代并发收集器，标记清除，追求低停顿，存在内存碎片。
• G1：Region 分块，兼顾新生代、老年代，支持可预测停顿。
• ZGC / Shenandoah：超低延迟收集器，几乎无 STW，适合超大堆场景。

四、GC 判定存活算法对比：可达性分析 vs 引用计数

Java GC 判断对象是否存活，底层是可达性分析 ；Python、Rust 早期、PHP 等语言使用引用计数。

1. 引用计数（Reference Counting）

原理：每个对象头维护一个引用计数器。

• 新增引用：计数器 + 1
• 引用失效：计数器 - 1
• 计数器为 0：对象立即回收

✅ 优点

1. 回收即时，引用消失立刻释放内存；
2. 没有全局扫描，不需要 STW；
3. 局部化操作，逻辑简单。

❌ 致命缺点

1. 循环引用无法回收：A 引用 B，B 引用 A，两者计数器都不为 0，内存泄漏。
2. 频繁增减计数器，并发场景下需要原子操作，性能损耗大。
3. 额外占用内存保存计数值。

典型语言：Python，Python 用标记清除 + 分代回收作为补充，专门解决循环引用问题。

2. 可达性分析（Reachability Analysis，Java 采用）

原理：以GC Roots作为起始根节点，向下遍历引用链；能遍历到的对象标记为存活，不可到达的判定为垃圾。 GC Roots 包含：虚拟机栈局部变量、静态变量、本地方法栈 JNI 引用等。

✅ 优点

1. 不存在循环引用问题，循环引用只要不在 GC Roots 链上，直接被回收；
2. 不需要频繁维护计数器，减少并发开销。

❌ 缺点

1. 需要扫描整个堆，会产生 STW（Stop The World），暂停用户线程；
2. 堆越大，扫描耗时越高（ZGC 等收集器大幅优化降低 STW）。

3. Java 分代回收的本质

Java 不是独立的算法，是可达性分析 + 分代思想 + 不同回收算法组合。 利用 "大部分对象朝生夕灭" 的弱分代假说，对新生代、老年代使用不同回收策略，减少每次 GC 扫描范围，降低 STW 开销。

对比项	引用计数	可达性分析（Java）
判断方式	对象自带计数器	GC Roots 扫描引用链
循环引用	❌ 无法处理，内存泄漏	✅ 可以正常回收
回收时机	引用断开立刻回收	需要 GC 触发扫描，不是即时
STW	一般不需要	需要（现代收集器大幅优化）
性能开销	每次赋值都要原子增减	扫描堆时开销大
代表语言	Python	Java、Go

总结

JVM 内存区区分线程私有和共享区域；类加载 5 个阶段，双亲委派在加载阶段；GC 采用分代思想，新生代复制、老年代标记整理；不同垃圾收集器分别侧重吞吐量或低延迟。