在前两期内容中，我们覆盖了 Java 基础、高级特性、并发编程及实战案例。本期将深入 JVM（Java 虚拟机）的核心机制，这是 Java 跨平台特性的基石，也是解决性能问题、内存泄漏的关键。掌握 JVM 知识，能让你从 "知其然" 迈向 "知其所以然"。
一、JVM 内存模型：数据存储的 "五脏六腑"
1. 程序计数器（Program Counter Register）
- 作用：记录当前线程执行的字节码指令地址（行号）。
- 特点：
- 线程私有（每个线程有独立的程序计数器）；
- 唯一不会发生 OutOfMemoryError 的区域；
- 如果执行的是 Native 方法，计数器值为 undefined。
2. Java 虚拟机栈（VM Stack）
- 作用：存储方法调用的栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等）。
- 特点：
- 线程私有，生命周期与线程一致；
- 局部变量表存储基本数据类型（boolean、byte 等）和对象引用；
- 可能抛出的异常：
- StackOverflowError：线程请求的栈深度超过虚拟机允许的深度（如递归调用无终止条件）；
- OutOfMemoryError：栈扩展时无法申请到足够内存。
public class StackOverflowDemo {
private static int count = 0;
public static void recursiveCall() {
count++;
recursiveCall(); // 无限递归
}
public static void main(String[] args) {
try {
recursiveCall();
} catch (StackOverflowError e) {
System.out.println("递归次数：" + count);
e.printStackTrace();
}
}
}3. 本地方法栈（Native Method Stack）
- 作用：与虚拟机栈类似，但为 Native 方法（非 Java 实现的方法）提供服务。
- 特点：
- 线程私有；
- 也可能抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。
4. Java 堆（Heap）
- 作用：存储对象实例和数组，是 JVM 中最大的一块内存区域。
- 特点：
- 所有线程共享；
- 垃圾回收的主要区域（"GC 堆"）；
- 可能抛出：OutOfMemoryError（对象实例过多，无法分配内存）。
- 新生代（Young Generation）：新创建的对象优先分配在这里，分为：
- Eden 区（伊甸园）：新对象分配的主要区域；
- Survivor 区（幸存者区）：From Survivor 和 To Survivor，用于存放经历一次 GC 后仍存活的对象。
- 老年代（Old Generation）：存放存活时间较长的对象（通常是经历多次 GC 后仍存活的对象）。
- 元空间（Metaspace，JDK 8 及以上）：存储类信息、常量、静态变量等（替代 JDK 7 及以前的永久代）。
5. 方法区（Method Area）
- 作用：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等。
- 特点：
- 所有线程共享；
- JDK 8 及以上由元空间（Metaspace）实现，元空间使用本地内存，不再受 JVM 内存限制；
- 可能抛出：OutOfMemoryError（如类加载过多导致元空间溢出）。
二、垃圾回收（GC）：自动内存管理的核心
1. 如何判断对象 "已死"？
（1）引用计数法
- 原理：给对象添加一个引用计数器，被引用时 + 1，引用失效时 - 1，计数器为 0 的对象可回收。
- 缺陷：无法解决循环引用问题（如 A 引用 B，B 引用 A，两者计数器都不为 0，但实际已无用）。
（2）可达性分析算法（JVM 采用）
- 原理：以 "GC Roots" 为起点，向下搜索引用链，不可达的对象即为可回收对象。
- GC Roots 包括：
- 虚拟机栈中引用的对象；
- 方法区中类静态属性引用的对象；
- 方法区中常量引用的对象；
- 本地方法栈中 Native 方法引用的对象。
2. 垃圾回收算法
（1）标记 - 清除算法（Mark-Sweep）
- 步骤：
- 优点：简单高效；
- 缺点：产生大量不连续的内存碎片，可能导致大对象无法分配内存。
（2）复制算法（Copying）
- 步骤：
- 优点：无内存碎片，实现简单；
- 缺点：内存利用率低（仅 50%）；适合对象存活率低的场景（如新生代）。
（3）标记 - 整理算法（Mark-Compact）
- 步骤：
- 优点：无内存碎片，内存利用率高；
- 缺点：效率较低（需要移动对象）；适合对象存活率高的场景（如老年代）。
3. 常见垃圾收集器
收集器 | 特点 | 适用场景 |
Serial GC | 单线程收集，收集时暂停所有用户线程（Stop The World） | 客户端应用、内存较小的场景 |
Parallel GC | 多线程收集，注重吞吐量（吞吐量 = 用户时间 /(用户时间 + GC 时间)） | 后台计算、批处理任务 |
CMS（Concurrent Mark Sweep） | 并发收集，低延迟（尽可能缩短 STW 时间） | 响应时间优先的应用（如 Web 服务） |
G1（Garbage-First） | 区域化分代式，兼顾吞吐量和延迟 | 大内存应用（堆内存 > 4GB） |
ZGC/Shenandoah | 超低延迟（毫秒级以下），支持 TB 级内存 | 对延迟要求极高的场景 |
- JDK 8 默认是 Parallel GC；
- JDK 9 及以上默认是 G1；
- 对于 Web 应用，推荐 G1 或 ZGC（JDK 11+）；
- 通过
-XX:+UseG1GC等参数指定收集器。
三、类加载机制：Class 文件的 "生命周期"
1. 类加载的全过程
（1）加载（Loading）
- 通过类的全限定名（如
com.example.User）获取二进制字节流（Class 文件）； - 将字节流的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构；
- 在内存中生成一个代表该类的
java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
（2）验证（Verification）
- 确保 Class 文件的字节流包含的信息符合 JVM 规范，保证安全（如文件格式验证、元数据验证、字节码验证等）。
（3）准备（Preparation）
- 为类变量（static 修饰的变量）分配内存并设置默认值（如
static int a = 10，此处设置为 0）。
（4）解析（Resolution）
- 将常量池中的符号引用转换为直接引用（符号引用是字符串形式的类名 / 方法名，直接引用是内存地址）。
（5）初始化（Initialization）
- 执行类构造器
<clinit>()方法（由类变量的赋值语句和静态代码块合并产生）； - 初始化顺序：父类先于子类，静态代码块按出现顺序执行。
public class ClassInitDemo {
static {
System.out.println("父类静态代码块");
}
public static int parentVar = 100;
public ClassInitDemo() {
System.out.println("父类构造器");
}
public static void main(String[] args) {
new SubClass();
}
}
class SubClass extends ClassInitDemo {
static {
System.out.println("子类静态代码块");
}
public static int subVar = 200;
public SubClass() {
System.out.println("子类构造器");
}
}
// 输出顺序：
// 父类静态代码块
// 子类静态代码块
// 父类构造器
// 子类构造器2. 类加载器（ClassLoader）
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：
- 负责加载
JAVA_HOME/lib目录下的核心类库（如rt.jar）； - 由 C++ 实现，不是 Java 类（
getClassLoader()返回 null）。
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：
- 负责加载
JAVA_HOME/lib/ext目录下的扩展类库。
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：
- 负责加载用户类路径（classpath）上的类；
- 是默认的类加载器。
- 类加载器加载类时，先委托给父类加载器，只有父类加载器无法加载时，才自己加载；
- 目的：保证类的唯一性（如
java.lang.Object只会被启动类加载器加载，避免篡改核心类）。
四、JVM 性能调优实战
1. 常用 JVM 参数
（1）内存设置
-Xms：初始堆大小（如-Xms512m）
-Xmx：最大堆大小（如-Xmx1024m，建议与-Xms设为相同，避免频繁扩容）
-Xmn：新生代大小（如-Xmn256m，一般为堆大小的1/3~1/4）
-XX:SurvivorRatio：Eden区与Survivor区的比例（如-XX:SurvivorRatio=8，即Eden:From:To=8:1:1）
-XX:MetaspaceSize：元空间初始大小（如-XX:MetaspaceSize=128m）
-XX:MaxMetaspaceSize：元空间最大大小（如-XX:MaxMetaspaceSize=256m）（2）GC 设置
-XX:+UseG1GC：使用G1收集器
-XX:MaxGCPauseMillis：G1目标最大停顿时间（如-XX:MaxGCPauseMillis=200）
-XX:+UseParallelGC：使用Parallel收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC：使用CMS收集器（JDK 9+已废弃）（3）日志设置
-XX:+PrintGC：打印GC基本信息
-XX:+PrintGCDetails：打印GC详细信息
-XX:+PrintGCTimeStamps：打印GC时间戳
-Xloggc:gc.log：将GC日志写入文件2. 性能问题诊断工具
（1）JDK 自带工具
- jps：查看 Java 进程 ID；
- jstat：监控 JVM 统计信息（如 GC 情况、类加载数）；
jstat -gc 12345 1000 10 # 监控进程12345的GC情况，每1000ms一次，共10次- jmap：生成堆转储快照（分析内存泄漏）；
jmap -dump:format=b,file=heapdump.hprof 12345 # 生成进程12345的堆快照- jstack：生成线程快照（分析死锁、线程阻塞）；
jstack 12345 > threaddump.txt # 生成线程快照并保存到文件- jconsole/jvisualvm：图形化工具，监控内存、线程、GC 等。
（2）第三方工具
- MAT（Memory Analyzer Tool）：分析堆快照，定位内存泄漏；
- GCEasy：在线 GC 日志分析工具（https://gceasy.io/）。
3. 常见性能问题及解决方案
（1）内存泄漏
- 现象：堆内存持续增长，频繁 Full GC，最终 OOM；
- 原因：对象不再使用但仍被引用（如静态集合缓存未清理、监听器未移除等）；
- 解决：
（2）GC 频繁
- 现象：Young GC 次数多，或 Full GC 频繁；
- 原因：
- 新生代设置过小，导致对象频繁进入老年代；
- 大对象直接进入老年代，触发 Full GC；
- 解决：
- 调大新生代大小（-Xmn）；
- 调整大对象阈值（-XX:PretenureSizeThreshold）；
- 检查是否有内存泄漏。
（3）GC 停顿时间过长
- 现象：单次 GC 停顿超过 1 秒，影响用户体验；
- 原因：
- 老年代过大，Full GC 耗时久；
- 使用了不适合的收集器（如 Serial GC）；
- 解决：
- 切换到低延迟收集器（如 G1、ZGC）；
- 调整 G1 的 MaxGCPauseMillis 参数；
- 避免大对象分配。
