JVM 核心概念深度解析

最近正在复习Java八股，所以会将一些热门的八股问题，结合ai与自身理解写成博客便于记忆

一、JVM内存结构/运行时数据区

JVM运行时数据区主要分为以下几个部分：

1. 程序计数器(PC Register)

   • 线程私有，记录当前线程执行的字节码行号
   • 唯一不会出现OOM的内存区域

2. Java虚拟机栈(VM Stack)

   • 线程私有，存储栈帧(局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等)
   • 可能出现StackOverflowError和OutOfMemoryError

3. 本地方法栈(Native Method Stack)

   • 线程私有，为Native方法服务
   • 同样可能出现StackOverflowError和OutOfMemoryError

4. Java堆(Heap)

   • 线程共享，存放对象实例和数组
   • GC主要工作区域，分新生代(Eden、Survivor)和老年代
   • 可能出现OutOfMemoryError

5. 方法区(Method Area)

   • 线程共享，存储类信息、常量、静态变量等
   • JDK 8后由元空间(Metaspace)实现，使用本地内存
   • 可能出现OutOfMemoryError

6. 运行时常量池

   • 方法区的一部分，存放编译期生成的字面量和符号引用

二、对象分配与逃逸分析

创建对象不一定分配在堆里，JVM会通过以下技术优化对象分配：

1. 逃逸分析(Escape Analysis)

   • 分析对象作用域是否逃逸出方法或线程
   • 未逃逸对象可进行栈上分配或标量替换

2. 栈上分配(Stack Allocation)

   • 将未逃逸对象分配在栈上，随栈帧出栈自动销毁
   • 减少GC压力

3. 标量替换(Scalar Replacement)

   • 将未逃逸对象拆解为基本类型变量
   • 完全避免对象分配

4. TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

   • 每个线程在Eden区私有的分配区域
   • 避免多线程竞争指针碰撞
   • 默认大小为Eden区的1%

三、垃圾回收机制

根可达性算法

• 从GC Roots出发，标记所有可达对象
• 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JNI引用的对象
  • 同步锁持有的对象
  • JMXBean等系统对象

三色标记法

• 白色：未被访问的对象
• 灰色：已被访问但引用未扫描完的对象
• 黑色：已被访问且引用已扫描完的对象
• 作用：并发标记时追踪对象状态
• 好处：支持并发标记，减少STW时间

漏标问题解决方案

1. 增量更新(Incremental Update)

   • CMS采用，记录新增引用关系
   • 写屏障(Write Barrier)实现

2. 原始快照(Snapshot At The Beginning, SATB)

   • G1采用，记录删除的引用关系
   • 写屏障实现

浮动垃圾问题

• 产生原因：并发清理阶段用户线程产生的新垃圾
• 解决方案：
  • 下次GC时清理
  • CMS通过预留空间(-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction)避免并发失败

四、垃圾收集器详解

CMS(Concurrent Mark Sweep)

设计目标与特点

• 目标：最小化老年代收集的停顿时间
• 类型：老年代收集器(与ParNew配合使用)
• 算法：标记-清除(Mark-Sweep)算法
• 工作模式：并发收集(与用户线程并行)

详细工作流程

1. 初始标记(Initial Mark) - STW

   • 暂停所有应用线程(STW)
   • 标记GC Roots直接关联的对象
   • 时间极短(通常1-10ms)

2. 并发标记(Concurrent Mark)

   • 与用户线程并发执行
   • 从GC Roots开始遍历整个对象图
   • 时间较长但不需要STW

3. 重新标记(Remark) - STW

   • 再次暂停所有应用线程
   • 处理并发标记期间的对象变化
   • 使用增量更新算法解决漏标问题
   • 比初始标记时间长但远短于并发标记

4. 并发清除(Concurrent Sweep)

   • 与用户线程并发执行
   • 清理未被标记的垃圾对象
   • 使用空闲列表(free-list)管理内存

G1(Garbage First)

• 特点：
  • 分Region的内存布局
  • 可预测的停顿模型(-XX:MaxGCPauseMillis)
  • 混合回收(Young GC + Mixed GC)

详细工作流程

1. Young GC

   • STW操作
   • 回收所有Eden和Survivor区
   • 存活对象复制到新的Survivor或晋升到Old区

2. 并发标记周期

   • 初始标记(Initial Mark)：STW，与Young GC同步进行
   • 根区域扫描(Root Region Scan)：扫描Survivor区引用
   • 并发标记(Concurrent Mark)：全堆对象标记
   • 最终标记(Final Mark)：STW，处理SATB缓冲区
   • 清理(Cleanup)：统计各Region存活对象

3. Mixed GC

   • 回收部分Young和Old Region
   • 基于停顿预测模型选择收益最高的Region
   • 通过-XX:MaxGCPauseMillis控制目标停顿时间

• 四个阶段：

  1. 初始标记(STW)
  2. 并发标记
  3. 最终标记(STW)
  4. 筛选回收(STW)

• 优点：高吞吐兼顾低延迟，适合大堆

• 缺点：内存占用较高

五、类加载机制

双亲委派模型

• 加载流程：

  1. 子加载器先委托父加载器加载
  2. 父加载器无法完成时子加载器尝试加载

• 好处：

  • 避免类重复加载
  • 保证核心类安全(如java.lang.Object)
  • 实现类的层次化隔离

破坏双亲委派

• 方式：

  1. SPI机制(如JDBC)：使用线程上下文类加载器
  2. OSGi：网状类加载模型
  3. 热部署：自定义类加载器

• Tomcat的实现：

  1. Web应用类优先自行加载
  2. 共享类库由Common类加载器加载
  3. 不同Web应用隔离(JSP类使用独立加载器)

六、JVM调优经验

1. 内存调优：

   • -Xms/-Xmx：堆初始/最大大小(建议设为相同值)
   • -Xmn：新生代大小(建议占堆1/3到1/2)
   • -XX:MetaspaceSize/-XX:MaxMetaspaceSize：元空间大小

2. GC调优：

   • -XX:+UseG1GC：启用G1收集器
   • -XX:MaxGCPauseMillis=200：目标停顿时间
   • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45：G1触发并发周期阈值

3. 监控工具：

   • jstat：GC统计
   • jmap：堆内存分析
   • jstack：线程分析
   • VisualVM/JProfiler：图形化分析

4. 常见问题处理：

   • OOM：分析堆/栈/元空间dump
   • CPU高：定位热点线程/方法
   • 长时间GC：调整收集器或内存比例