EkkoSonya's Blog

垃圾收集器

垃圾收集算法是理论基础，定义了如何识别和回收垃圾；垃圾收集器是算法的具体实现，一个收集器可以实现一种或多种算法

JVM 的垃圾收集器主要分为两大类：分代收集器和分区收集器

分代收集器的代表是 CMS

分区收集器的代表是 G1 和 ZGC

分代是按对象年龄划分（新生代/老年代），针对性回收；分区是把堆切成独立小区域（Region），可预测停顿时间。

现代收集器（如 G1）结合两者：逻辑上分代，物理上分区。

垃圾收集器

ZGC

ZGC 是 JDK 11 时引入的一款低延迟的垃圾收集器，最大特点是将垃圾收集的停顿时间控制在 10ms 以内，即使在 TB 级别的堆内存下也能保持较低的停顿时间。

ZGC 也采⽤了复制算法，只不过做了重⼤优化，ZGC 在标记、转移和重定位阶段⼏乎都是并发的，这是 ZGC 实现停顿时间⼩于 10ms 的关键所在

关键技术

指针染色

类加载机制

JVM 的操作对象是 Class 文件。JVM 把 Class 文件中描述类的数据结构加载到内存中，并对数据进行校验、解析和初始化，最终转化成可以被 JVM 直接使用的类型，这个过程被称为类加载机制。

类加载是运行时进行的，JVM 不会在启动时加载所有类，而是按需加载。

触发类加载的时机（主动引用）：

• new 一个对象
• 访问类的静态变量或静态方法
• 使用反射（如 Class.forName()）
• 初始化子类时（会先触发父类加载）

不触发类加载的情况（被动引用）：

• 通过子类引用父类的静态变量
• 定义类数组（如 MyClass[] arr）
• 常量引用（如 MyClass.CONST）

JVM 调优

性能检测工具

• 系统层面 (可以监控系统整体的资源使用情况，比如说内存、CPU、IO 使用情况、网络使用情况)
  • top
  • iostat
  • netstat
  • vmstat
• JDK 自带的命令行工具层面
  • jps
  • jstat
  • jinfo
  • jmap
  • jhat
  • jstack
  • jcmd
  • 可以查看 JVM 运行时信息、内存使用情况、堆栈信息等

屏障

屏障 = 在某个操作前后插入的"检查点"或"钩子"

想象一个小区门禁：

居民进出 → [门禁屏障] → 记录谁进出了 → 放行

屏障不做"拦截"，只做"记录"或"检查"

计算机中的屏障

内存屏障

CPU 为了性能会重排序指令，内存屏障告诉 CPU：

指令1
指令2
[内存屏障] ←  barrier 之前的指令必须先执行完
指令3
指令4

对象内存布局

对象的内存布局是由 Java 虚拟机规范定义的，但具体的实现细节各有不同，如 HotSpot 和 OpenJ9 就不一样

常用的 HotSpot 为例：

对象在内存中包括三部分：对象头、实例数据和对齐填充

对象头 (Mark World + 类型指针 (指向 Class 对象)) + 实例数据 + 对齐填充

对象头 (8字节 + 8字节 (压缩 4 字节)): 12字节 (指针压缩)

对齐填充必须是 8 的倍数 (64位)

Java 堆 (存放对象位置)

堆内存分区

Java 堆被划分为新生代和老年代两个区域

新生代又被划分为 Eden 空间和两个 Survivor 空间（From 和 To）

新创建的对象会被分配到 Eden 空间

当 Eden 区填满时，会触发一次 Minor GC，清除不再使用的对象

存活下来的对象会从 Eden 区移动到 Survivor 区。

对象在新生代中经历多次 GC 后，如果仍然存活，会被移动到老年代

当老年代内存不足时，会触发 Major GC，对整个堆进行垃圾回收

内存溢出和内存泄漏

内存溢出

内存溢出，俗称 OOM，是指当程序请求分配内存时，由于没有足够的内存空间，从而抛出 OutOfMemoryError

List<String> list = new ArrayList<>();
while (true) {
  list.add("OutOfMemory".repeat(1000)); // 无限增加内存
}

垃圾收集机制

垃圾回收就是对堆内存中不再被引用的（不可达的）对象进行清除或回收

JVM 在做 GC 之前，会先搞清楚什么是垃圾，什么不是垃圾，通常会通过可达性分析算法来判断对象是否存活

在确定了哪些垃圾可以被回收后

垃圾收集器（如 CMS、G1、ZGC）要做的事情就是进行垃圾回收

可以采用：

• 标记清除算法
• 复制算法
• 标记整理算法
• 分代收集算法等

C++ 等语言创建对象要不断的去开辟空间，不用的时候又需要不断的去释放空间，既要写构造函数，又要写析构函数

于是，有人就提出，能不能写一段程序实现这块功能，每次创建对象、释放内存空间的时候复用这段代码

1960 年，John McCarthy 在设计 Lisp 语言时首次提出了垃圾回收的概念，用于自动管理内存，避免程序员手动释放内存带来的错误

STW

"Stop The World"是 Java 垃圾收集中的一个重要概念

在垃圾收集过程中，JVM 会暂停所有的用户线程，这种暂停被称为"Stop The World"事件

这么做的主要原因是为了防止在垃圾收集过程中，用户线程修改了堆中的对象，导致垃圾收集器无法准确地收集垃圾

值得注意的是，"Stop The World"事件会对 Java 应用的性能产生影响

如果停顿时间过长，就会导致应用的响应时间变长，对于对实时性要求较高的应用，如交易系统、游戏服务器等，这种情况是不能接受的。

因此，在选择和调优垃圾收集器时，需要考虑其停顿时间。Java 中的一些垃圾收集器，如 G1 和 ZGC，都会尽可能地减少了"Stop The World"的时间，通过并发的垃圾收集，提高应用的响应性能。