JVM 笔记：类加载、内存管理、垃圾收集与垃圾收集器
Java 虚拟机（JVM, Java Virtual Machine）是 Java 技术体系的核心。它负责运行 Java 字节码，是 Java 实现“一次编写，到处运行”的基础。JVM 主要提供以下几个核心功能：
- 类加载机制
- 内存管理机制
- 垃圾回收机制
- 字节码执行引擎
本文重点围绕 类加载、内存管理、垃圾回收与垃圾收集器 进行系统讲解。
1. 类加载机制（Class Loading）
JVM 在运行期间需要将 .class 文件加载到内存，这一过程由类加载子系统负责，分为以下几个阶段：
类加载的五个阶段：
| 阶段 | 说明 |
|---|---|
| 加载（Loading） | 通过类的全限定名获取字节流，并生成 Class 对象。 |
| 连接（Linking） | 包括验证、准备、解析三个子阶段。 |
| 验证（Verification） | 确保字节码格式正确、合法、不会破坏虚拟机。 |
| 准备（Preparation） | 为类的静态变量分配内存并设置初始值（默认值）。 |
| 解析（Resolution） | 将常量池中的符号引用替换为直接引用。 |
| 初始化（Initialization） | 执行类构造器 <clinit> 方法，初始化静态变量。 |
类加载器（ClassLoader）
Java 提供了三种主要的类加载器：
- Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）：C++ 实现，加载
rt.jar - Extension ClassLoader（扩展类加载器）：加载
ext目录下的类 - Application ClassLoader（应用类加载器）：加载
classpath下的类
2. Java 内存管理（Memory Structure）
JVM 在运行时将内存划分为几个逻辑区域，用于存储不同类型的数据：
内存结构总览
| 区域 | 线程共享 | 说明 |
|---|---|---|
| 方法区（Method Area） | 是 | 存放类信息、常量、静态变量等，JDK 8 后称为 metaspace |
| 堆（Heap） | 是 | 所有对象实例和数组分配的地方，GC 的主要工作区域 |
| 虚拟机栈（JVM Stack） | 否 | 每个线程一个栈，存储栈帧，用于方法调用 |
| 本地方法栈（Native Method Stack） | 否 | 调用 Native 方法时使用 |
| 程序计数器（PC Register） | 否 | 当前线程所执行字节码的行号指示器 |
堆内存结构（重点）
JVM 堆通常分为以下几个区域：
-
Young Generation（新生代）
- Eden 区：大部分对象在此创建。
- Survivor 区：两个区（S0、S1）轮流使用，存活对象在其中复制移动。
-
Old Generation（老年代）
- 存放长生命周期对象、晋升的新生代对象。
-
Metaspace（元空间）
- JDK 8 后替代永久代，使用本地内存而非堆内存。
3. 垃圾回收算法（GC Algorithm）
JVM 使用 GC 算法自动回收内存，主要算法如下：
常见 GC 算法对比
| 算法 | 原理 | 适用区域 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 标记-清除（Mark-Sweep） | 标记活对象，清除未被标记对象 | 老年代 | 实现简单 | 空间碎片问题严重 |
| 复制算法（Copying） | 活对象复制到新区域，旧区域清空 | 新生代 | 无碎片，效率高 | 空间浪费（只用一半） |
| 标记-整理（Mark-Compact） | 标记后让所有活对象移动到一起 | 老年代 | 无碎片 | 移动对象成本高 |
| 分代收集算法 | 新生代用复制，老年代用标记整理 | 新生+老年代 | 各取所长 | 实现复杂 |
4. 垃圾收集器（GC Collector）
JVM 提供了多种垃圾收集器，不同收集器适用于不同场景。以下是主流收集器及其特性：
新生代收集器
| 收集器 | 特性 | 备注 |
|---|---|---|
| Serial | 单线程，简单高效 | 适合单核 CPU，小型应用 |
| ParNew | 多线程版本 Serial | 常与 CMS 搭配使用 |
| Parallel Scavenge | 多线程，注重吞吐量 | 吞吐量优先，适用于后台计算 |
老年代收集器
| 收集器 | 特性 | 备注 |
|---|---|---|
| Serial Old | 单线程标记整理 | 与 Serial、CMS 搭配 |
| Parallel Old | 多线程标记整理 | Parallel Scavenge 的老年代版本 |
| CMS（Concurrent Mark-Sweep） | 并发回收，低延迟 | 停顿少，易产生碎片，已被废弃（JDK 14） |
| G1（Garbage First） | 分区回收，预测性好 | JDK 9 默认收集器，适用于大内存低延迟场景 |
| ZGC（Z Garbage Collector） | 超低延迟（<10ms） | JDK 11 引入，支持 TB 级堆 |
| Shenandoah | 并发压缩 | JDK 12 引入，RedHat 主导，适合低延迟场景 |
垃圾收集器对比
| 收集器 | 吞吐量 | 停顿时间 | 并发能力 | 是否碎片整理 | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| CMS | 中等 | 低 | 并发标记清理 | 无 | 低延迟，回收碎片难 |
| G1 | 高 | 可预测 | 并发 | 有 | Region + 并发整理 |
| ZGC | 中 | 超低（<10ms） | 高 | 有 | 支持超大堆，GC 与应用线程并发运行 |
| Shenandoah | 中 | 超低 | 高 | 有 | GC 与应用并发，适合响应敏感型场景 |
面试高频考点总结
| 问题 | 答案要点 |
|---|---|
| JVM 有哪些内存区域？ | 堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器 |
| 新生代与老年代的区别？ | 新生代生命周期短，采用复制算法；老年代生命周期长，用标记整理 |
| GC 有哪些算法？ | 标记清除、复制、标记整理、分代收集 |
| CMS 的优缺点？ | 并发低停顿，容易碎片，回收失败可能 Full GC |
| G1 与 CMS 对比？ | G1 具备 Region 机制与预测回收，解决碎片问题，更适合大堆 |
| ZGC 的优势？ | 超低延迟，支持大内存，GC 过程与应用线程几乎完全并发 |