一、JVM 内存区域划分

1.1 运行时数据区

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JVM 运行时数据区
├── 线程共享
│   ├── 堆（Heap）—— GC 主要工作区域
│   └── 方法区（Method Area）—— 元空间
└── 线程私有
    ├── 虚拟机栈（VM Stack）
    ├── 本地方法栈（Native Stack）
    └── 程序计数器（PC Register）

1.2 堆内存分代模型

堆是 GC 的主战场，经典分代模型分为：

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堆内存（Heap）
├── 年轻代（Young Generation）
│   ├── Eden 区（8/10）
│   ├── Survivor0（1/10）
│   └── Survivor1（1/10）
└── 老年代（Old Generation）

• 年轻代：存放新创建的对象，垃圾回收频率高、速度快
• 老年代：存放存活时间长的对象，回收频率低、耗时久
• 默认比例：年轻代 : 老年代 = 1 : 2（可通过 -XX:NewRatio 调整）
• Eden : S0 : S1 = 8 : 1 : 1

二、如何判断对象可以回收

2.1 引用计数法

• 原理：每个对象维护一个引用计数器，被引用+1，引用失效-1
• 缺点：无法解决循环引用问题（A 引用 B，B 引用 A，都为 0 但无法回收）
• JVM 没有采用这种方式

2.2 可达性分析算法（JVM 采用）

从一组 GC Roots 根对象出发，向下搜索引用链：

• 能到达的对象 → 存活
• 不可达的对象 → 可回收

GC Roots 包括哪些？

1. 虚拟机栈中引用的对象（局部变量）
2. 方法区中静态变量引用的对象
3. 方法区中常量引用的对象
4. 本地方法栈中 JNI 引用的对象
5. 被同步锁持有的对象

2.3 四种引用类型

三、经典垃圾回收算法

3.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

两个阶段：标记所有存活对象 → 清除未标记对象

• 优点：实现简单，不需要移动对象
• 缺点：产生大量内存碎片，大对象可能找不到连续空间

3.2 复制算法（Copying）

原理：将内存分为两块，每次只用一块。回收时把存活对象复制到另一块，然后清空当前块。

• 年轻代使用的算法（Eden → Survivor）
• 优点：没有内存碎片，运行高效
• 缺点：可用内存只有一半，空间利用率低

3.3 标记-整理算法（Mark-Compact）

原理：标记存活对象 → 将所有存活对象向一端移动 → 清理边界外内存

• 老年代使用的算法
• 优点：没有内存碎片
• 缺点：需要移动对象，STW 时间长

3.4 分代收集算法

不是新算法，而是根据不同年代特点组合使用：

• 年轻代：对象存活率低 → 复制算法（高效）
• 老年代：对象存活率高、空间大 → 标记-清除 或 标记-整理

四、垃圾收集器

4.1 经典收集器概览

4.2 CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）

以获取最短回收停顿时间为目标，适合互联网应用。

四个阶段：

1. 初始标记（STW）：只标记 GC Roots 直接关联对象，很快
2. 并发标记：与用户线程并发，遍历整个引用链
3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间变动的对象
4. 并发清除：与用户线程并发，清除垃圾对象

缺点：

• 标记-清除产生内存碎片
• 并发阶段占用 CPU 资源
• 无法处理”浮动垃圾”

4.3 G1 收集器（Garbage First）

JDK 9 及之后的默认收集器。

核心特点：

• Region 分区：把堆分成多个大小相等的独立区域
• 可预测停顿：可以设置最大 GC 停顿时间（默认 200ms）
• 优先回收价值高的区域：根据回收收益排序，优先回收垃圾多的 Region
• Humongous 区域：大对象直接进入老年代专用区域

GC 模式：

• Young GC：年轻代 Region 回收
• Mixed GC：年轻代 + 部分老年代 Region 一起回收
• Full GC：极端情况触发（应尽量避免）

4.4 ZGC 收集器

JDK 15 正式发布的下一代低延迟收集器。

• 目标：TB 级堆内存，停顿时间 < 1ms，且不随堆增大而增加
• 核心技术：着色指针（Colored Pointers）、读屏障
• 全并发：几乎所有阶段都和用户线程并发执行
• 适用场景：大内存、低延迟要求的服务（如微服务网关、实时计算）

五、GC 日志解读

5.1 开启 GC 日志

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# JDK 8
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log

# JDK 9+（统一日志系统）
-Xlog:gc*:file=gc.log:time,uptime:filecount=10,filesize=100M

5.2 Young GC 日志示例

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[GC (Allocation Failure) 
 [PSYoungGen: 65536K->8192K(76288K)] 
 65536K->12288K(251392K), 
 0.0083420 secs]

解读：

• PSYoungGen：年轻代使用 Parallel Scavenge 收集器
• 65536K->8192K：回收前年轻代 64M → 回收后 8M
• (76288K)：年轻代总大小约 74.5M
• 65536K->12288K：回收前整个堆 64M → 回收后 12M
• 0.0083420 secs：本次 GC 耗时 8ms

六、常用 JVM 调优参数

6.1 堆内存设置

6.2 收集器选择

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# JDK 8 推荐：Parallel Scavenge + Parallel Old（默认）
-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC

# JDK 8 低延迟：ParNew + CMS
-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC

# JDK 9+ 默认：G1
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 目标停顿时间

# JDK 11+ 超低延迟：ZGC
-XX:+UseZGC

6.3 元空间设置

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-XX:MetaspaceSize=256m       # 元空间初始大小
-XX:MaxMetaspaceSize=512m    # 元空间最大大小

JDK 8 用元空间（Metaspace）替代了永久代（PermGen），使用本地内存，默认无上限。

6.4 其他重要参数

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-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError    # OOM 时自动 dump 堆快照
-XX:HeapDumpPath=/logs/heapdump.hprof  # dump 文件路径
-XX:+PrintCommandLineFlags         # 打印 JVM 启动参数
-XX:+DisableExplicitGC             # 禁用 System.gc()
-XX:+UseTLAB                       # 启用线程本地分配缓冲区（默认开启）

七、调优思路与常见问题

7.1 调优基本思路

1. 先监控再调优：不要盲目调参，先通过 GC 日志、JConsole、VisualVM 等工具定位问题
2. 目标明确：是追求吞吐量还是低延迟？两者不可兼得
3. 从小到大：先调整堆大小，再选收集器，最后微调细节参数
4. 压测验证：每次调整都要压测对比效果

7.2 常见 GC 问题排查

频繁 Young GC

• 原因：年轻代太小，对象频繁 Eden 区满
• 解决：适当增大 -Xmn 年轻代空间

Full GC 频繁

• 可能原因：
  1. 老年代空间不足 → 增大堆内存
  2. 大对象过多 → 检查代码，避免一次性创建大对象
  3. 内存泄漏 → 用 MAT 分析堆 dump

CPU 100%

1. top 找到高 CPU 进程
2. top -Hp pid 找到高 CPU 线程
3. jstack pid 查看线程栈
4. 结合 GC 日志判断是否 GC 线程占用过高

7.3 内存泄漏常见场景

• 静态集合类（static List/Map）只加不删
• 各种连接（数据库、网络）未关闭
• 监听器注册后未注销
• ThreadLocal 使用完未 remove
• 内部类持有外部类引用