Java虚拟机JVM

JVM内存模型

1、线程私有

1.1、Java虚拟机栈：Java方法执行的内存模型

  • 生命周期：与线程相同
  • 执行时创建栈帧用于存储：局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等
  1. 局部变量量表：存放编译器可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型
  2. 操作数栈：存放要操作的数
  3. 动态连接：对应代码内存入口地址
  4. 方法出口：方法调用或异常返回地址

对象引用：对象存储在Java堆中，这里存的时对象的引用

1.2、本地方法栈

native修饰的方法

private native void start0();

1.3、程序计数器

  • 当执行Java方法时：正在执行的虚拟机字节码地址；
  • 当执行Native方法时：Undefined

2、共享区域

2.1、Java堆

  • 存放对象实例，GC的主要区域。
  • 新生代、老年代。
  • Eden区、From Surivivor区、To Surivivor区。8：1：1

2.2、方法区

用于存储已被虚机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等。

3、异常

运行时数据区对应异常
数据区StackOverflowErrorOutOfMemoryError
方法区NA方法区无法满足内存分配需求时；
Java堆NA堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时；
虚拟机栈线程请求的栈深度大于虚机所允许的深度时；扩展时无法申请到足够的内存时；
本地方法栈线程请求的栈深度大于虚机所允许的深度时；扩展时无法申请到足够的内存时；
程序计数器NANA

垃圾回收

1、GC RootsJVM中被称为GC Roots的对象，是指垃圾回收器在进行可达性分析时，作为起始节点的“活跃”对象。凡是通过直接或间接引用链能够与 GC Roots 相连的对象，都会被判定为“存活”；反之则被视为垃圾等待回收。

在Java中，以下6种类型的对象通常可以作为 GC Roots：

  • 虚拟机栈引用的对象
    当前正在执行的方法中使用的局部变量表、参数和临时对象。
  • 本地方法栈引用的对象
    在调用 Native 方法（使用 C/C++ 等编写的代码）时引用的对象。
  • 方法区中静态属性引用的对象
    类变量，即被static关键字修饰的对象引用。
  • 方法区中常量引用的对象
    字符串常量池里的引用或被final修饰的常量。
  • 同步锁持有的对象
    被synchronized关键字锁住的对象。
  • JNI 句柄引用的对象
    通过 Java Native Interface 引用的本地对象。

2、对象是否存活

2.1、引用计数器算法

给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就+1；当引用失效时，计数器就-1；当计数器值为0时，对象就不再被使用；

缺陷：当出现对象相互循环引用时，永远不会被回收；

2.2、可达性分析算法

2.3、引用

2.3.1、强引用

只要强引用存在，垃圾回收器绝对不会回收被引用的对象。

Object obj = new Object();
2.3.2、软引用

只有当 JVM内存不足（即将抛出 OOM 前），垃圾回收器才会将这些对象列入回收范围进行二次回收。

String str = new String("abc"); SoftReference<String> reference = new SoftReference(str);
2.3.3、弱引用

比软引用更弱。无论内存是否充足，只要垃圾回收器运行，只要发现只被弱引用关联的对象，就会立即回收。

String str = new String("abc"); WeakReference<String> reference = new WeakReference(str);
2.3.4、虚引用

任何时候都可能被垃圾回收器回收

String str = new String("abc"); ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue(); // 创建虚引用，要求必须与一个引用队列关联 PhantomReference<String> reference = new PhantomReference(str, queue);

3、垃圾收集算法

算法优点弊端
标记-清除算法基础算法，实现简单；不需要移动对象

1、标记和清除2个效率都不高

2、空间不连续，空间碎片

复制算法不会产生内存碎片浪费一半的空间
标记-整理算法

1、不会产生内存碎片

2、内存利用率高

在移动对象时，必须STW
分代收集算法资源利用率高，针对不同区域采用最合适的算法（如新生代用复制算法，老年代用标记-整理算法）算法逻辑相对复杂

4、垃圾收集器

JVM 垃圾收集器主要分为分代收集器（如 Parallel、CMS、G1）和全功能/并发收集器（如 ZGC）。不同收集器的优缺点决定了其应用场景：追求高吞吐量选 Parallel，追求低延迟选 CMS 或 G1，追求超大内存/极致低延迟选 ZGC。

常见垃圾收集器优缺点
收集器名称工作区域优点缺点
Serial / Serial Old新生代 / 老年代单线程，内存消耗小，没有线程交互开销。GC 时需暂停所有用户线程（STW），垃圾回收时间长。
Parallel Scavenge / Parallel Old新生代 / 老年代多线程并行回收，追求高吞吐量（CPU利用率高）。GC 停顿时间较长，不适合强交互的低延迟应用。
CMS(Concurrent Mark Sweep)老年代并发收集、低停顿，用户线程与 GC 线程同时执行。产生内存碎片，对 CPU 资源敏感，无法处理“浮动垃圾”。
G1(Garbage-First)全堆（分代管理）可预测停顿时间，将堆内存划分为多个 Region，避免了全区碎片化。内存占用高，程序运行时的负载与复杂度较高。
ZGC(Z Garbage Collector)全堆（不分代/自适应）超低延迟（停顿 <10ms），支持超大堆（数 TB），几乎不受堆大小影响。吞吐量相比 Parallel 略低，处于持续演进中。

5、内存分配和回收策略

JVM参数

JVM参数主要分为标准参数（-）、非标准参数（-X）和不稳定参数（-XX）。合理配置这些参数能够显著提升应用程序的性能、内存管理与故障排查效率。以下为您整理了生产环境中必不可少的常用JVM参数分类清单。

1、 堆内存与非堆内存配置

控制Java应用运行时的内存分配，是性能调优的第一步。

  • -Xms：设置JVM启动时的初始堆内存（建议与-Xmx一致，避免内存抖动）。
  • -Xmx：设置JVM最大可用堆内存。
  • -Xmn：设置年轻代（Young Generation）的大小。
  • -XX:MetaspaceSize：设置元空间（Metaspace）的初始大小（触发首次Full GC的阈值）。
  • -XX:MaxMetaspaceSize：限制元空间的最大大小，防止内存泄漏耗尽系统内存。
  • -XX:SurvivorRatio：设置Eden区与单个Survivor区的大小比例（如8表示Eden:S0:S1 = 8:1:1）。

2、 垃圾收集器（GC）策略

根据业务场景选择合适的GC算法，以平衡吞吐量和停顿时间。

  • -XX:+UseParallelGC：JDK 8 默认的并行GC，注重吞吐量。
  • -XX:+UseG1GC：JDK 9及之后版本的默认GC，兼顾吞吐量与低延迟。
  • -XX:+UseZGC：适用于超大堆内存、需要极低延迟（亚毫秒级）的现代应用。
  • -XX:MaxGCPauseMillis：在使用G1或ZGC时，设置期望的最大GC停顿时间。

3、 异常与故障排查

在生产环境发生OOM（内存溢出）时，通过这些参数留存现场数据。

  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：当首次发生OOM时，自动生成 Heap Dump 内存快照文件。
  • -XX:HeapDumpPath：指定 Heap Dump 文件的生成路径和文件名。
  • -XX:ErrorFile：指定JVM致命错误日志（如 Crash 日志）的存储路径。

4、 GC日志记录

记录详细的GC运行情况，用于排查内存泄漏及优化GC停顿。

  • -Xlog:gc*(JDK 9+)：开启统一的GC日志记录，输出详细信息。
  • -XX:+PrintGCDetails(JDK 8及以下)：打印详细的GC日志信息。
  • -Xloggc(JDK 8及以下)：指定GC日志的输出文件路径。

5、 其他常用优化参数

  • -XX:+DisableExplicitGC：屏蔽业务代码中显式的System.gc()调用，防止引发人为的Full GC。
  • -Xss：设置每个线程的栈内存大小（例如512k），决定了函数调用的最大深度。
  • -XX:+UseStringDeduplication：启用字符串去重，优化存在大量重复字符串的应用内存占用（Java 8u20及以上支持）。

优化实战

1、双11亿级电商网站JVM参数调优

2、单机几十万并发的系统JVM调优

虚拟机类加载机制

1、类加载器

1.1、类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，整个生命周期包括5个阶段

  1. 加载
  2. 连接：验证 + 准备 + 解析
  3. 初始化
  4. 使用
  5. 卸载

1.2、类加载器

  1. BootstrapClassLoader：启动类加载器，
    1. 加载<JAVA_HOME>\lib目录下，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径下并且是虚拟机识别的类库，加载到虚拟机内存中；
  2. ExtClassLoader：扩展类加载器，
    1. 加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录下，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的类库
    2. 开发者可以直接使用ExtClassLoader
    3. 加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
  3. AppClassLoader：应用程序加载器，也叫系统类加载器
    1. 加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
    2. 开发者可以直接使用AppClassLoader
  4. UserClassLoader

1.3、JDK双亲委派机制

  1. 每个类加载器，对加载过的类有缓存
  2. 向上委托查找，向下委托加载