——你必须先搞懂的底层基础（GC 调优必读）

GC 调优离不开对 JVM 内存结构的理解，本篇将从：

JVM 内存结构
对象创建与逃逸流程
垃圾回收算法
GC 触发条件
各类垃圾收集器原理（重点：G1 / ZGC）

这 5 个方面给你建立完整知识体系。

🧩 一、JVM 内存结构（JAVA 8+）

自从 Java 8 移除永久代（PermGen）后，JVM 的结构更清晰了：

【线程私有】
  - 程序计数器 (Program Counter)
  - JVM 栈 (Stack)
  - 本地方法栈 (Native Stack)

【线程共享】
  - 堆 (Heap)
  - 元空间 (Metaspace)
  - 代码缓存 (Code Cache)

我们重点讲 Heap + Metaspace，因为 GC 主要发生在堆。

✔ 1. 堆（Heap）

堆是 JVM 最大、最重要 的区域，存放所有对象。

结构如下：

Heap
 ├── Young Generation（新生代）
 │     ├── Eden
 │     ├── Survivor S0
 │     └── Survivor S1
 └── Old Generation（老年代）

• 99% 的对象在 Eden 创建

• Survivor 用于对象在 Young 区之间“拷贝”

• 经过多次 Minor GC 后，长寿命的对象进入 Old 区

✔ 2. 元空间（Metaspace）

Java 8 之后，类元信息存放在 本地内存 里，不再受堆大小影响。

元空间撑爆一般有两类原因：

• 动态生成类过多（如 CGLib、大量反射生成代理类）

• Web 容器频繁重启导致类无法卸载

元空间 OOM 排查重点看：

jcmd <pid> VM.class_hierarchy

⚙️ 二、Java 对象创建与分配流程

一个对象从创建到晋升的完整过程如下：

new → Eden 分配 → Minor GC → Survivor 复制 → 多次 Survivor → Old 区晋升

核心规则：

✔ 1. 对象优先分配在 Eden

只要 Eden 有足够空间，JVM 会使用 TLAB（线程私有缓冲区）快速分配对象。

✔ 2. 大对象直接进入 Old 区

比如：

• 大数组

• 大字符串

• 大 Map

可通过：

-XX:PretenureSizeThreshold

进行配置（仅部分 GC 生效）。

✔ 3. 长寿命对象晋升到 Old 区

通常经历 15 次 Minor GC 后晋升，可通过：

-XX:MaxTenuringThreshold

控制；G1/ZGC 是动态调整，无需设置。

♻️ 三、JVM 中的垃圾回收算法（理解 GC 核心原理）

GC 的根本问题：

认识哪些对象“还活着”？

JVM 采用 可达性分析算法（Reachability Analysis）：

从 GC Roots 开始找可达对象，不能被访问的对象才是“垃圾”。

GC Roots 包括：

• 栈帧里的引用

• 本地方法引用

• 静态成员变量

• 常量池

• JVM 内部引用

GC 算法核心包含三个：

✔ 1. 标记-清除（Mark-Sweep）

流程：

标记 → 清除

缺点：产生内存碎片。

用于：CMS 老年代等。

✔ 2. 标记-压缩（Mark-Compact）

标记 → 移动对象 → 压缩到一起

减少碎片。

用于：Serial / Parallel Old 以及 G1、ZGC 等现代 GC。

✔ 3. 复制算法（Copying）

Young 区的算法：

Eden → Survivor1
Survivor1 → Survivor2

适用于：

• 新生代存活率低

• 复制成本低

🔥 四、GC 类型与触发条件（为什么 GC 发生？）

✔ 1. Minor GC（年轻代 GC）

什么时候发生？

当 Eden 空间不足。

特点：

• 速度快

• 不会影响 Old 区

• 停顿时间短（几十毫秒级）

Minor GC 是“常态”，不是坏事。

✔ 2. Major GC / Full GC（重点关注）

触发：

• Old 区空间不足

• 元空间不足

• 显式 System.gc()（可能被禁用）

• 大对象分配失败

• CMS/G1 触发 Mixed GC

Full GC 成本高（100ms ~ 1s+），必须重点监控。

🏆 五、现代垃圾回收器（GC 的真正核心）

不同 GC 适用于不同场景。

✔ 1. Parallel GC（吞吐量优先）

特点：

• 默认的堆为内存大、CPU 多的场景（以前是默认）

• 追求吞吐量

• 停顿时间较长

适合：

• 批处理

• 后台任务

• 延迟要求不高的系统

✔ 2. CMS（低延迟）

特点：

• 并发标记

• 减少 STW

• 但会产生碎片

缺点使其在 Java 9 后开始被 G1 取代。

✔ 3. G1（Java 11+ 默认）

重点：分区（Region）+ 并发 + 可预测停顿

结构：

把整个堆切成多个 Region：
Young / Old 都是多个 Region 的集合

优势：

• 支持大堆（4G~64G 甚至以上）

• Mixed GC 效率高

• 停顿可控

需要理解这两个概念：

(1) Mixed GC

同时回收 Young + Old（部分 Region）

(2) RSet（记忆集）

记录 Old → Young 的引用，减少扫描范围。

✔ 4. ZGC（毫秒级低延迟）

这是 GC 的未来方向。

核心理念：

并发整理
读屏障
染色指针（Colored Pointer）
暂停 < 1ms（几乎固定）

适合：

• 低延迟服务

• 高并发场景

• 大堆（32GB ~ TB 级别）

ZGC + 虚拟线程（Loom）= Java 未来方向。

🧠 六、为什么系统会卡顿？（从 GC 角度看）

常见原因：

❌ Minor GC 太频繁

→ Eden 太小 / 大量瞬时对象

❌ Full GC 频繁

→ Old 区溢出 / 内存泄漏

❌ CMS/G1 回收跟不上

→ 对象创建太快

❌ 元空间不足

→ 大量动态代理类

📌 七、如何选择正确的 GC？

🎯 八、总结：理解 GC 才能真正优化性能

本篇把 JVM 内存结构、GC 原理、对象分配全都讲清楚。
当你理解：

• 对象为什么进入 Old 区

• GC 什么时候发生

• 为什么会 Full GC

• 为什么服务卡顿

你就能真正开始 GC 调优了。