Java 性能优化实战 第 3 篇：JVM 内存结构与 GC 原理
——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。