01-JVM 内存模型与 GC 原理

JVM 内存模型与 GC 原理解析

本文将从 JVM 内存模型入手，深入剖析各个区域的作用、GC 的运行机制与常见算法，并结合源码与面试思维，带你掌握 JVM 的底层世界。

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一、JVM 内存模型（Java Memory Model）

JVM 将内存划分为若干区域，每个区域有其独立职责：

• 程序计数器（线程私有）
• 虚拟机栈（线程私有）
• 本地方法栈
• 堆（Heap）
• 方法区（MetaSpace）

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二、重点区域解析

2.1 堆（Heap）

• 所有对象实例、数组存放在堆中。
• -Xms 和 -Xmx 设置堆初始与最大值。
• GC 的核心目标区域。

public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]);
        }
    }
}

💡 备注：
Q：什么情况下会抛出 OutOfMemoryError？
A：当申请内存超出堆最大容量时，GC 无法回收足够空间就会 OOM。

三、GC（垃圾回收）机制解析

GC 并非作用于所有内存区域，而是只关注堆和方法区。

3.1 常见垃圾回收算法

• 标记-清除

• 复制算法

• 标记-整理

• 分代回收

3.2 分代回收机制

JVM 将堆划分为：

• 新生代（Young Generation）

• 老年代（Old Generation）

具体如：

Young Gen:
  Eden + SurvivorFrom + SurvivorTo
Old Gen:
  Tenured

四、主流 GC 垃圾收集器

收集器	作用代	算法	适用场景
Serial	新生代	复制	单线程小应用
ParNew	新生代	复制	多线程环境
CMS	老年代	标记清除	响应快
G1	整堆	分区整理	低延迟大内存
ZGC	整堆	并发标记复制	超大内存场景

# 示例：开启 G1 收集器
-XX:+UseG1GC

五、GC 日志分析与调优

-XX:+PrintGCDetails -Xloggc:gc.log

典型日志解读：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 512K->128K(768K)] 1024K->512K(1536K)]

含义：

• Young GC 发生

• Eden 区释放

• 堆总容量变化

六、源码视角下的 GC 行为

以 G1为例：

// G1GC 内部空间定义
class G1CollectedHeap : public CollectedHeap {
    ...
    HeapRegion* _regions;
}

在 G1Policy::record_collection_pause_end() 中控制回收行为：

void G1Policy::record_collection_pause_end(...) {
    update_young_list_target_length();
    update_old_gen_estimates();
}

七、JVM 常见调优策略

• 设置合适堆大小，避免频繁 Full GC：

-Xms2g -Xmx2g

• 优化 GC 策略（G1 替代 CMS）：

-XX:+UseG1GC

• 利用 JVM 工具链（如 jmap、jstat、VisualVM）

📌 面试问答分析（Q&A）

💬 Q1：GC 会回收哪些区域？
✅ A1：只会回收堆和方法区（Java 8 开始为元空间 MetaSpace）。

💬 Q2：Minor GC 和 Full GC 有什么区别？
✅ A2：Minor 仅作用于新生代，速度快；Full 会触发老年代，速度慢。

💬 Q3：如何定位 OOM 的位置？
✅ A3：结合 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 输出内存快照，用 MAT 工具分析。

✅ 总结

本文从 JVM 的内存模型出发，详细解析了堆结构、GC 算法与主流收集器，结合日志调优与源码进行系统讲解，并融入了面试视角与实战经验。掌握 JVM 原理是 Java 工程师高阶进阶的必经之路。

📌 后续预告：下一篇将深入分析 Java 类加载机制及其破坏与替代方案，敬请期待。