JVM体系结构

1. 组成

1.1 类加载子系统（Class Loader Subsystem)

• 组成：

  1. 启动类加载器（Bootstrap Class loader)：加载核心类库（java.lang.*等)；
  2. 扩展类加载器（Extension Class loader)：加载 JDK 扩展库（jre/lib/ext);
  3. 应用类加载器（Application Class loader)：加载应用类路径下的类。

• 特点：

  1. 双亲委派机制： 描述了类加载器在加载一个类时，所遵循的顺序和委托关系。

     • 委派（Delegation)： 当一个Class Loader 收到加载请求时，不会立即尝试自己加载，而是先将这个请求向上委托给自己的父类加载器去完成。
     • 查找（Search)： 如果父类加载器能够加载成功，则直接返回加载好的类； 如果父类加载器加载失败（在自己的路径下找不到)，才会讲加载请求回退给提出请求的子类加载器，让它尝试自己加载。

     当父类已经加载了某个类时，子类就不会再加载一次，保证了内存中只有一个版本的类。

  2. 提供类的命名空间隔离。

1.2 运行时数据区（RunTime Data Areas)

JVM内存区，讲内存区划分成若干个区以区分实际机器上的存储、记录和调度功能模块，细节如下：

区域	作用	线程共享/私有
PC 寄存器（PC Register)	保存当前正执行线程的内存地址	私有
Java 栈（Stack)	每个方法调用生成栈帧，存局部变量、操作数栈、动态链接	私有
堆（Heap)	存放对象实例和数组，是 GC 的主要管理区域	共享
方法区（Method Area)	存放类信息、常量池、静态变量、JIT 编译后的代码	共享
运行时常量池（Runtime Constant Pool)	方法区的一部分，存储类的编译期常量和符号引用	共享
本地方法栈（Native Method Stack)	调用本地方法时使用	私有

1.3 执行引擎（Execution Engine)

• 功能：负责执行字节码。
• 组成：
  1. 解释器（Interpreter)：逐条执行字节码，启动快，效率低。
  2. 即时编译器（JIT Compiler)：将热点代码编译成机器码，提高运行效率。
  3. 垃圾回收器（Garbage Collector)：管理内存回收无用对象。

1.4 本地接口（Native Interface)

功能：提供 JVM 与操作系统、本地库的桥梁。例如JNI、JNA。

2. 内存回收策略

通常显示的内存分配策略有两种：一种是静态内存分配，另一种是动态内存分配。

2.1 静态内存分配与回收

静态内存分配是指 Java 在被编译时就能确定需要的内存空间，当程序被加载时，系统就把内存一次性分给它。 这些内存不会在程序执行时发生变化，直到程序执行结束时内存才会被回收。

2.2 动态内存分配与回收

对象的内存空间是动态分配的，所谓动态分配，就是在程序执行的时候才知道要分配的存储空间的大小，而不是 在编译时就能确定的。这个对象在什么时候被回收也是不确定的，只有等到这个对象不再使用时才会被回收。

内存的分配是在对象创建时发生的，内存的回收是以对象不再被引用为前提的。

2.3 如何检测垃圾

垃圾回收器的工作：检测垃圾，释放内存。

主要有两种实现方式：

1. 引用记数法
2. 可达性分析

现代 JVM ，主要采用可达性分析。

2.4 垃圾回收算法

2.4.1 复制算法（Copying)

适用区域：新生代（Eden + Survivor)

• 原理：
  • 将内存分为两块：当前使用区和空闲区。
  • GC 时，把存活对象复制到空闲区，清空当前区。
  • 完成后两块区域交换角色。
• 优点：
  • 分配效率高（指针移动)
  • 无需内存碎片整理
• 缺点：
  • 内存浪费，需要额外空间（通常需要半区)
• 典型应用
  • Minor GC
  • 新生代中的 Eden 和 Survivor

2.4.2 标记清除算法（Mark-Sweep)

• 适用区域：老年代
• 原理：
  1. 标记阶段：遍历 GC Roots，标记所有可达对象；
  2. 清除阶段：清除未标记对象。
• 优点：
  • 实现简单
  • 不需要额外空间
• 缺点：
  • 清理后可能产生内存碎片
  • 停顿时间较长（Stop-The-World)

2.4.3 标记整理算法（Mark-Compact)

• 适用区域：老年代
• 原理：
  1. 标记阶段：遍历 GC Roots，标记所有可达对象（和标记清除法相同)；
  2. 整理阶段：将存活对象移到另一端，使内存连续。
• 优点：
  • 无碎片
• 缺点：
  • 移动对象需要时间，停顿较长。
• 典型应用
  • Serial Old GC
  • Parallel Old GC

2.4.4 分代回收策略（Generational Collection)

• 思想：
  • 将堆分代（新生代 + 老年代)
  • 短命对象频繁回收，新生代使用复制算法
  • 长寿对象在老年代使用标记-清理/整理
• 优势：
  • 提高 Minor GC 频率
  • 减少 Full GC 频率

2.4.5 分代并行 GC 算法

2.4.5.1 Parallel GC

• 多线程执行 Minor GC 或 Major GC
• 新生代使用复制算法，多线程加速
• 老年代使用标记-整理，多线程回收
• 优势：吞吐量高，适合 CPU 充足的服务器

2.4.5.2 CMS（Concurrent Mark Sweep)

• 目标：减少停顿时间
• 流程：
  1. 初始标记（Stop-The-World)
  2. 并发标记（标记可达对象，用户线程可运行)
  3. 并发清理（清理无用对象)
  4. 重新标记（Stop-The-World，修正并发期间变化)
• 优点：停顿短
• 缺点：清理后可能产生碎片，需要老年代整理。

2.4.5.3 G1 GC（Garbage First)

• 思想：
  • 将堆划分成多个 Rigion
  • 并发标记，优先回收垃圾最多的区域
  • 可以部分回收（Partial GC)
• 特点：
  • 预测停顿时间（用户可设置目标 ms)
  • 支持大堆（10GB+)
• 流程：
  1. 并发标记所有 Region
  2. 计算垃圾最多的 Region
  3. 优先回收这些 Region
  4. 部分回收 + 并发清理

2.4.5.4 ZGC / Shenandoah（低停顿 GC)

• 并发标记 + 并发压缩
• 停顿时间毫秒级别
• 支持超大堆（TB级别)

JDK 之后默认 G1。

3. GC 日制获取分析

工具	用途
jstat	查看 GC/内存趋势
jmap -histo	快速查看对象 Top
jmap/jcmd dump	生成堆快照
Arthas heap/dashboard	线上实时分析
诊断常见来源（static、ThreadLocal、cache）	快速定位套路