共同学习，有错欢迎指出。

JVM 运行时数据区域

1. 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可看作当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机概念模型里，字节码解释器通过改变这个计数器的值选取下一条字节码指令，分支、循环、跳转等基础功能均依赖此计数器完成，是线程私有的内存。

2. Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈也是线程私有的，生命周期与线程相同。它描述 Java 方法执行的内存模型：每个方法执行时创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法从调用到执行完成，对应栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

3. 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈作用相似，区别在于虚拟机栈为 Java 方法（字节码）服务，而本地方法栈为虚拟机使用的 Native 方法服务。

4. Java 堆

对于大多数应用，Java 堆是 JVM 管理的内存中最大的一块，被所有线程共享，在虚拟机启动时创建。此区域唯一目的是存放对象实例，几乎所有对象实例都在此分配内存。

5. 方法区

方法区用于存储已加载的类信息、常量、静态变量（如 static 修饰的变量）。运行时常量池是方法区的一部分，class 文件中的常量池存放编译期生成的字面量和符号引用。

老版 JDK 中，方法区称为永久代。

JDK 1.8 后废弃永久代，引入元空间（Metaspace），元空间是 HotSpot JVM 对方法区的实现，使用本地内存，理论上受限于系统虚拟内存大小（需配置参数）。

分代回收

年轻代结构

HotSpot JVM 将年轻代分为 1 个 Eden 区和 2 个 Survivor 区（From 和 To）。新创建的对象通常分配到 Eden 区（大对象特殊处理），首次 Minor GC 后存活的对象移至 Survivor 区。对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC，年龄增加 1 岁，达到阈值后移至老年代。

复制算法原理

年轻代采用复制算法，将内存分为两块，每次只用一块，满后将存活对象复制到另一块，不产生内存碎片。

GC 流程：

GC 开始时，对象存在于 Eden 和 From 区，To 区为空。

Eden 和 From 区存活对象复制到 To 区，From 区中年龄达阈值的对象移至老年代，未达阈值的复制到 To 区。

GC 后，Eden 和 From 区清空，From 与 To 角色互换，确保 To 区始终为空。

当 To 区填满时，所有对象移至老年代。

动态年龄计算

HotSpot 遍历对象时，按年龄从小到大累积占用大小，当某年龄对象总和超过 Survivor 区一半时，取该年龄与-XX:MaxTenuringThreshold的较小值作为新晋升阈值。设计目的：

避免固定阈值导致 “过早晋升” 或 “Survivor 溢出”，动态适应对象生命周期波动。

常见垃圾回收机制

1. 引用计数法

每个对象含引用计数器，引用增加则 + 1，失效则 - 1。计数器为 0 时释放内存。优点是简单，缺点是无法处理循环引用，且计数开销持续存在。

2. 可达性分析算法

以GC Roots（如虚拟机栈引用、方法区静态变量、常量引用、本地方法栈 JNI 引用等）为起点，通过引用链判断对象是否可达。不可达的对象判定为可回收。

CMS 收集器执行过程

初始标记（STW initial mark）：从 GC Roots 开始，仅扫描直接关联对象并标记，停顿时间短。

并发标记（Concurrent marking）：在初始标记基础上继续追溯标记，与用户线程并发执行。

并发预清理（Concurrent precleaning）：扫描并发标记阶段新进入老年代的对象，减少重新标记工作量。

重新标记（STW remark）：暂停虚拟机，扫描 CMS 堆剩余对象，处理引用变更。

并发清理（Concurrent sweeping）：清理垃圾对象，与用户线程并发执行。

并发重置（Concurrent reset）：重置 CMS 数据结构，等待下次 GC。

G1 收集器执行过程

标记阶段：

初始标记（Initial-Mark，STW）：触发一次 Young GC，标记 GC Roots 直接关联对象。

并发标记：全堆扫描，与用户线程并发执行，计算区域对象活性，回收全垃圾区域。

再标记（STW）：使用 SATB 算法补充标记并发阶段新增垃圾。

清理阶段（STW）：选择活性低的区域，等待下次 Young GC 回收。

回收 / 完成：Young GC 清理选定区域，可能保留部分高活性区域。

G1 与 CMS 对比

GC Roots 对象

虚拟机栈（栈帧本地变量表）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。

Stop the World（STW）

GC 执行时，除 GC 线程外的所有用户线程挂起，直至 GC 完成。STW 是保证 GC 正确性的必要机制，但会影响实时性。可通过选择并发收集器（如 CMS、G1）降低停顿时间。

垃圾回收算法

停止 - 复制（Copying）：暂停程序，将存活对象从当前堆复制到另一堆，适合新生代短生命周期对象，缺点是空间利用率低。

标记 - 清除（Mark-Sweep）：标记存活对象，清除未标记对象，产生内存碎片，适合老年代。

标记 - 整理（Mark-Compact）：标记后整理存活对象，压缩内存，避免碎片，适合老年代。

分代收集算法：新生代用复制算法，老年代用标记 - 清除或标记 - 整理算法，结合各代特点优化回收效率。

Minor GC 与 Full GC 触发条件

Minor GC 触发：Eden 区满时触发。

Full GC 触发：

调用System.gc()（建议而非强制）。

老年代空间不足。

方法区空间不足（JDK 8 前永久代）。

Minor GC 后进入老年代的对象大小超过老年代可用内存。

新生代复制对象时，目标 Survivor 区空间不足，需晋升老年代但老年代空间不足。

对象进入老年代的条件

大对象直接进入：超过
-XX:PretenureSizeThreshold（默认 3M）的对象直接在老年代分配。

长期存活对象：年龄超过-XX:MaxTenuringThreshold（默认 15）的对象晋升老年代。

动态年龄判定：Survivor 区中相同年龄对象总和超过该区一半时，大于等于该年龄的对象直接进入老年代。

空间分配担保：老年代最大连续空间不足，但大于历次晋升平均大小时，冒险执行 Minor GC；否则触发 Full GC。

TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）

JVM 在新生代 Eden 区为每个线程分配一块私有区域（默认占 Eden 的 1%），用于快速分配小对象。TLAB 分配无需锁同步，提升效率。对象分配流程：

逃逸分析确定对象在堆分配。

若 TLAB 空间足够，直接分配并更新指针；否则重新申请 TLAB。

若 TLAB 仍不足，在 Eden 区加锁分配；Eden 不足则触发 Young GC，GC 后仍不足则分配到老年代。

对象内存分配方法

指针碰撞：堆内存规整时，通过指针移动分配内存（如 Serial、ParNew 收集器）。

空闲列表：堆内存碎片化时，维护可用内存列表分配（如 CMS 收集器）。

JVM 类加载过程

类生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。

加载：通过全限定名获取字节流，生成 Class 对象。

验证：确保字节流合法，防止安全漏洞。

准备：为静态变量分配内存（默认值），实例变量在对象实例化时分配。

解析：将常量池符号引用转为直接引用（如指针）。

初始化：执行类构造器<clinit>()，初始化静态变量和代码块。

双亲委派模型

类加载器优先委托父加载器加载类，递归至顶层，父加载器无法加载时才由子类加载器尝试。该模型避免类重复加载，保护核心类（如java.lang.*）。破坏场景：JNDI、JDBC 等 SPI 机制通过线程上下文类加载器逆向加载第三方库，突破双亲委派限制。

JVM 锁优化与膨胀过程

自旋锁：获取锁失败时忙循环尝试，减少线程阻塞开销；自适应自旋根据前次自旋次数动态调整。

锁粗化：扩大加锁范围，避免频繁申请 / 释放锁（如循环内的同步块合并）。

锁消除：逃逸分析确认对象无竞争时，移除不必要的锁。

偏向锁：无竞争时锁关联线程，再次访问无需抢占，适用于单线程场景。

轻量级锁：竞争较小时通过 CAS 自旋获取锁，自旋超阈值升级为重量级锁。

重量级锁：依赖操作系统 MutexLock，阻塞线程，适用于高竞争场景。

i++ 操作的字节码指令

将 int 常量加载到操作数栈顶。

取出操作数栈顶值，存储到局部变量表 Slot 1。

从 Slot 1 取出值，放回操作数栈顶。

Slot 1 中的值加 1。

将操作数栈顶值存回 Slot 1（即 i 变量）。

JVM 性能监控工具

1. 命令行工具

jps：查看 JVM 进程及 LVMID。

jstat：监控类加载、内存、GC 数据（如jstat -gcutil <pid> 1000）。

jinfo：查看 / 调整 JVM 参数。

jmap：生成堆转储快照（jmap -dump:file=heapdump.hprof <pid>）。

jhat：分析堆快照，通过 HTTP 服务器查看结果。

jstack：生成线程快照，排查死锁或阻塞（jstack <pid> > thread.log）。

2. 可视化工具

JConsole：JDK 自带图形化监控工具，支持内存、线程、类加载监控。

VisualVM：功能强大，支持插件扩展，可分析性能瓶颈、内存泄漏。

JVM 常见参数

JVM 调优目标与场景

调优时机

老年代内存持续接近最大值。

Full GC 频繁触发。

GC 停顿时间超过 1 秒。

应用抛出OutOfMemoryError。

本地缓存占用大量内存。

系统吞吐量或响应时间下降。

实战案例

1. Minor GC 频繁

原因：Eden 区过小，对象分配速率高。

优化：增大新生代空间（-Xmn）或调整-XX:SurvivorRatio，减少 GC 次数。

2. STW 过长

原因：老年代碎片多或大对象触发 Full GC。

优化：启用 G1 收集器（-XX:+UseG1GC），设置-XX:MaxGCPauseMillis=100控制停顿时间。

3. 元空间溢出（JDK 8+）

原因：动态类加载过多，元空间内存不足。

优化：调整-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize，或优化类加载逻辑。

4. 外部命令导致性能下降

问题：频繁调用Runtime.exec()执行 Shell 脚本，创建进程开销大。

解决方案：改用 Java API 获取信息，避免外部进程调用。

5. Windows 虚拟内存导致 GC 停顿

问题：程序最小化时内存交换到磁盘，GC 时因页面文件恢复导致长时间停顿。

解决方案：添加参数
-Dsun.awt.keepWorkingSetOnMinimize=true，避免内存交换。