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前言

Java 最核心的特性：一次编译，到处运行，底层就是 JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）。 我们写的.java源码编译成.class字节码，JVM 加载字节码，解释 / 编译执行。JVM 屏蔽了操作系统底层差异。

学习 JVM，两大核心板块：

1. 内存模型（运行时数据区）：重点搞懂虚拟机栈、堆
2. GC 垃圾回收：什么时候回收、回收什么对象、用什么收集器回收

重要区分：JVM 内存 ≠ 操作系统内存；GC 只回收堆内存中的对象，栈不存在 GC。

一、JVM 运行时数据区

JVM 在执行 Java 程序时，会把管理的内存划分为若干不同区域，部分区域随 JVM 启动创建，JVM 退出销毁；部分区域线程私有，随线程创建销毁。

线程私有区域（每个线程独立一份，互不共享）

1. 虚拟机栈（Java 栈）
2. 本地方法栈
3. 程序计数器

线程共享区域（整个 JVM 一份，所有线程共享）

1. 堆（Heap）【GC 主战场】
2. 方法区（元空间 MetaSpace，JDK8+）

✅ 一句话区分私有 / 共享：线程私有，线程生则生、线程亡则释放；共享区域由 JVM 统一管理，涉及 GC。

1. 虚拟机栈（重点）

栈：存放局部变量、方法调用栈帧

• 每个 Java 方法执行时，都会创建一个栈帧 (Stack Frame)，压入虚拟机栈；方法执行结束，栈帧出栈销毁。
• 栈帧包含：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。
• 局部变量表存放：基本数据类型（int/boolean/long）、对象引用地址（不是对象本身！对象本体在堆）。

栈上存的是对象引用，对象实例本身一定在堆。

栈的异常：

• StackOverflowError：栈深度超过上限（无限递归）
• OutOfMemoryError：不断创建线程，耗尽操作系统内存（线程栈分配内存失败）

栈内存没有 GC！方法执行完毕，栈帧自动弹出释放，不需要垃圾回收。

2. 程序计数器

当前线程执行字节码的行号指示器。记录当前执行到哪一行指令。 唯一一个没有 OOM的区域。

3. 本地方法栈

和虚拟机栈作用几乎一致，区别是为native 本地方法（C/C++ 写的方法）服务。

4. 堆 Heap（重中之重，GC 发生在这里）

堆：存放所有对象实例 + 数组，JVM 最大一块内存，所有线程共享，GC 主要回收区域。

JDK8 堆结构划分：

• 新生代（Young Generation）：新创建对象，绝大多数对象朝生夕灭。
  • Eden 区：对象诞生地，占新生代 80%
  • Survivor0（S0，From）、Survivor1（S1，To）：各占 10%

  同一时间只有一块 Survivor 是可用的，另一块是空的，复制算法。

• 老年代（Old Generation）：存活时间久、大对象。多次 GC 存活的对象晋升到老年代。

对象晋升规则：对象在新生代熬过多次 GC（默认 15 次），晋升到老年代；超大对象直接进入老年代，避免 Eden 复制开销。

堆会发生 OOM：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space，堆内存不足。

5. 方法区（JDK1.8 之后叫元空间 MetaSpace）

存放：类的结构信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。

JDK1.7 及之前：永久代（PermGen），属于堆内存一部分，容易 OOM； JDK8：移除永久代，改为元空间，使用操作系统本地内存，不再占用堆内存。

二、栈和堆核心对比（面试必问）

表格

高频误区纠正： ❌ 错误说法：对象存在栈里。 ✅ 正确：对象实例一定在堆；栈里面只保存对象的引用地址。 JDK 有逃逸分析，满足条件的小对象会发生栈上分配，属于优化，不是默认行为。面试没特别问逃逸分析，优先按基础结论作答。

三、垃圾回收 GC 基础理论

GC 目标：回收堆中不再被引用的对象，释放内存。

1. 如何判断对象是否可以回收

引用计数法

对象被引用 + 1，引用消失 - 1；计数 = 0 则可回收。 缺点：循环引用无法识别，JVM 没有采用。

可达性分析算法（JVM 采用）

以GC Roots作为起始根节点，向下搜索引用链。不能到达的对象，判定为垃圾，可以回收。

GC Roots 包含：

1. 虚拟机栈中局部变量引用的对象
2. 方法区静态变量引用对象
3. 本地方法栈 native 引用对象
4. 锁持有的对象

即使对象不可达，也不是立刻死亡，会执行一次 finalize ()（基本不推荐使用，该方法不可靠）。

2. 三大基础垃圾回收算法

1. 标记 - 清除（Mark-Sweep）标记垃圾，统一清除。缺点：内存碎片，分配大对象容易 OOM。
2. 复制算法（Copying）新生代使用。Eden + Survivor，存活对象复制到空白 Survivor，清空原区域。无碎片；代价是占用双倍内存。
3. 标记 - 整理（Mark-Compact）老年代使用。标记垃圾，清除后，存活对象向一端移动压缩，消除内存碎片。移动对象，STW 时间更长。

新生代：复制算法；老年代：标记清除 / 标记整理。

3. STW Stop The World

GC 执行时，暂停所有用户线程。

所有 GC 收集器都会 STW，差别只是 STW 时间长短。低延迟收集器目标就是减少 STW 时长。

四、主流垃圾收集器（GC 收集器）详解

收集器就是 GC 算法的具体落地实现。不同收集器作用于新生代 / 老年代，搭配使用。

1. Serial 收集器（串行收集器）

• 单线程收集，GC 时唯一 GC 线程工作，所有用户线程 STW。
• 新生代：复制算法；老年代 Serial Old：标记整理。
• 适用：客户端、单机小内存程序。
• 缺点：STW 时间长，大内存场景卡顿明显。
• 参数：-XX:+UseSerialGC

2. Parallel 收集器（并行收集器，JDK8 默认）

• 多线程 GC，STW，多条 GC 线程并行工作，充分利用多核 CPU。
• Parallel Scavenge（新生代复制） + Parallel Old（老年代标记整理）
• 目标：吞吐量优先（吞吐量 = 用户运行时间 / 总运行时间）。牺牲停顿时间，追求最大吞吐量。
• 适合：后台任务、批量计算，对停顿不敏感的服务。
• 参数：-XX:+UseParallelGC

3. CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除）

JDK1.5 推出，JDK9 开始废弃，JDK14 移除

• 老年代收集器，并发标记 + 并发清除，尽量和用户线程一起跑，降低 STW。
• 算法：标记清除，会产生内存碎片。
• 目标：低延迟，减少停顿时间
• 执行四阶段：
  1. 初始标记（STW，很短）
  2. 并发标记（用户线程同时运行）
  3. 重新标记（STW）
  4. 并发清除（用户线程同时运行）
• 缺点：内存碎片、CPU 占用高、浮动垃圾，无法处理老年代快速增长。

4. G1 收集器（Garbage-First，JDK9 默认）

面向服务端，吞吐量与低延迟之间平衡，JDK8 推荐，JDK9 默认 核心思想：化整为零，将整个堆划分为多个大小相等的 Region 区域，Eden、Survivor、老年代不再连续。

• 可以同时管理新生代 + 老年代。
• 优先回收垃圾最多的 Region（Garbage First）。
• 算法：标记整理 + 复制，不会产生大量内存碎片
• 支持可预测停顿，可设置预期最大停顿时间-XX:MaxGCPauseMillis
• 阶段：初始标记 (STW)、并发标记、最终标记 (STW)、筛选回收 (STW)
• 参数：-XX:+UseG1GC

5. ZGC（Z Garbage Collector，JDK11 引入，JDK17 稳定）

超低延迟收集器，大内存首选

• 几乎可以做到亚毫秒级 STW，堆可以支持 TB 级别。
• 着色指针 + 读屏障实现并发标记、并发整理。
• 目标：STW 时间几乎不随堆内存变大而增长。
• 适用：高并发、低延迟业务，网关、订单核心服务。
• 参数：-XX:+UseZGC

6. Shenandoah 收集器

RedHat 开发，和 ZGC 类似，低延迟，并发整理，JDK12 引入。国内使用少于 ZGC。

五、GC 收集器对比汇总表

表格

六、JVM 启动常用参数

# 堆初始大小，最大堆 -Xms2g -Xmx2g # 指定GC收集器示例 -XX:+UseG1GC -XX:+UseZGC # 打印GC日志 -XX:+PrintGCDetails

七、面试高频考点

1. 堆和栈存放什么？对象在哪？

栈存放局部变量、对象引用；堆存放对象实例；栈不存在 GC，堆由 GC 回收。

1. 可达性分析是什么，GC Roots 有哪些？

从 GC Roots 向下遍历引用链，不可达对象判定垃圾；列出 4 类 GC Roots。

1. CMS、G1、ZGC 核心区别？

CMS：老年代，标记清除，有碎片；G1 分区化，平衡吞吐量和延迟；ZGC 超低 STW，适合大堆低延迟场景。

1. STW 是什么？所有 GC 都会 STW 吗？

用户线程暂停；全部收集器都有 STW，只是停顿长短不同。

1. 新生代 GC（Minor GC）、老年代 GC（Full GC）

Minor GC：新生代满触发，频率高，速度快；Full GC：整堆回收，STW 时间很长，尽量避免。

补充：Major GC 指老年代 GC，经常伴随 Full GC。

八、总结

1. 虚拟机栈是线程私有，存引用，方法结束自动释放，没有 GC；堆是共享区域，存放对象实例，GC 回收堆内存。
2. JVM 使用可达性分析判定垃圾，三大基础 GC 算法：复制、标记清除、标记整理。
3. Parallel：吞吐量优先；CMS（淘汰）追求低延迟，有碎片；G1 分区，平衡方案；ZGC 亚毫秒级低延迟，现代业务首选。
4. 线上调优核心目标：尽量减少 Full GC，降低 STW 停顿。