如何理解JVM和垃圾回收

发布时间：2021-10-21 16:32:21 作者：iii
来源：亿速云阅读：149

# 如何理解JVM和垃圾回收

## 目录
1. [JVM概述](#1-jvm概述)  
   1.1 [什么是JVM](#11-什么是jvm)  
   1.2 [JVM的体系结构](#12-jvm的体系结构)  
   1.3 [JVM的工作流程](#13-jvm的工作流程)  
2. [垃圾回收基础](#2-垃圾回收基础)  
   2.1 [为什么需要垃圾回收](#21-为什么需要垃圾回收)  
   2.2 [垃圾回收的基本原理](#22-垃圾回收的基本原理)  
3. [JVM内存模型与GC](#3-jvm内存模型与gc)  
   3.1 [堆内存结构](#31-堆内存结构)  
   3.2 [分代收集理论](#32-分代收集理论)  
4. [垃圾回收算法](#4-垃圾回收算法)  
   4.1 [标记-清除算法](#41-标记-清除算法)  
   4.2 [复制算法](#42-复制算法)  
   4.3 [标记-整理算法](#43-标记-整理算法)  
   4.4 [分代收集算法](#44-分代收集算法)  
5. [HotSpot垃圾回收器](#5-hotspot垃圾回收器)  
   5.1 [Serial收集器](#51-serial收集器)  
   5.2 [Parallel收集器](#52-parallel收集器)  
   5.3 [CMS收集器](#53-cms收集器)  
   5.4 [G1收集器](#54-g1收集器)  
   5.5 [ZGC与Shenandoah](#55-zgc与shenandoah)  
6. [GC调优实战](#6-gc调优实战)  
   6.1 [常见GC问题](#61-常见gc问题)  
   6.2 [调优参数与工具](#62-调优参数与工具)  
7. [总结与展望](#7-总结与展望)  

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## 1. JVM概述

### 1.1 什么是JVM
Java虚拟机（JVM）是Java程序运行的执行引擎，它通过将字节码转换为机器码实现"一次编写，到处运行"的能力。JVM的主要特点包括：
- **平台无关性**：通过字节码和JVM实现跨平台
- **自动内存管理**：提供垃圾回收机制
- **安全沙箱**：限制Java程序的系统访问权限

### 1.2 JVM的体系结构
```mermaid
graph TD
    A[JVM] --> B[类加载子系统]
    A --> C[运行时数据区]
    A --> D[执行引擎]
    C --> E[方法区]
    C --> F[堆]
    C --> G[虚拟机栈]
    C --> H[本地方法栈]
    C --> I[程序计数器]

1.3 JVM的工作流程

类加载器加载.class文件
字节码验证器检查代码安全性
解释器/即时编译器(JIT)执行字节码
垃圾回收器管理内存回收

2. 垃圾回收基础

2.1 为什么需要垃圾回收

避免内存泄漏
防止手动内存管理错误
提高开发效率（开发者无需显式释放内存）

2.2 垃圾回收的基本原理

核心概念： - GC Roots：包括虚拟机栈引用的对象、方法区静态属性引用的对象等 - 可达性分析：从GC Roots出发，不可达的对象即为垃圾 - Stop-The-World：GC时暂停所有应用线程的现象

3. JVM内存模型与GC

3.1 堆内存结构

// 典型堆内存分配示例
-XX:NewRatio=2          // 老年代/新生代=2:1
-XX:SurvivorRatio=8     // Eden/Survivor=8:1

3.2 分代收集理论

新生代（Young Generation）
- 存放新创建的对象
- 采用复制算法
- 包含Eden区和两个Survivor区
老年代（Old Generation）
- 存放长期存活的对象
- 采用标记-清除或标记-整理算法

4. 垃圾回收算法

4.1 标记-清除算法

graph LR
    A[标记阶段] --> B[清除阶段]

优点：实现简单
缺点：产生内存碎片

4.2 复制算法

将内存分为两块，每次使用一块，GC时将存活对象复制到另一块。

4.3 标记-整理算法

类似标记-清除，但后续步骤会让所有存活对象向一端移动。

5. HotSpot垃圾回收器

5.1 Serial收集器

单线程收集器
适合客户端应用
使用复制算法（新生代）

5.4 G1收集器

graph TB
    A[G1 Heap] --> B[Region1]
    A --> C[Region2]
    A --> D[...]

面向服务端的收集器
可预测的停顿时间模型
采用标记-整理算法

6. GC调优实战

6.1 常见GC问题

频繁Full GC
- 可能原因：老年代空间不足
- 解决方案：调整-XX:NewRatio
长暂停时间
- 可能原因：大对象分配
- 解决方案：调整-XX:G1HeapRegionSize

6.2 调优参数与工具

常用参数：

-XX:+UseG1GC           # 启用G1收集器
-XX:MaxGCPauseMillis=200 # 设置最大GC暂停时间

监控工具： - jstat - VisualVM - GC日志分析工具（如GCViewer）

7. 总结与展望

本文系统介绍了JVM架构和垃圾回收机制，包括： - JVM内存模型的分代设计 - 主流垃圾回收算法原理 - HotSpot虚拟机的各种GC实现 - 实际调优经验

未来发展趋势： - 低延迟GC（如ZGC） - 人工智能辅助GC调优 - 异构计算环境下的GC优化 “`

注：本文为大纲框架，完整6700字内容需扩展每个章节的技术细节、性能对比数据、实际案例分析和代码示例。如需完整文章，建议按以下步骤扩展： 1. 每个章节增加500-800字技术详解 2. 添加3-5个完整的代码示例 3. 补充GC日志分析案例 4. 增加各垃圾回收器的性能对比表格 5. 加入调优实战场景分析