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内存与 GC

约 947 字大约 3 分钟

布欧-Lewyon

2026-05-16

首页 › Java › JVM › 内存与 GC

JVM 的内存管理由两个层面构成：运行时数据区（如何划分内存空间）和垃圾回收（GC）（如何自动回收不再使用的对象）。理解这两部分有助于排查 OOM、调优 GC 停顿。

运行时数据区

┌─────────────────────────────────────┐
│             堆（Heap）               │  ← 所有线程共享，存对象实例
│  ┌──────────┬──────────┬──────────┐ │
│  │ 新生代    │ 老年代    │ 字符串常量池等 │
│  │ (Young)  │ (Old)    │            │
│  └──────────┴──────────┴──────────┘ │
├─────────────────────────────────────┤
│            元空间（Metaspace）         │  ← 类元数据、方法字节码
├─────────────────────────────────────┤
│     虚拟机栈（VM Stack）              │  ← 每个线程私有，存栈帧
│     本地方法栈（Native Stack）         │  ← native 方法调用
│     程序计数器（PC Register）          │  ← 当前执行指令地址
└─────────────────────────────────────┘

堆（Heap）

所有 new 出来的对象都在堆上分配，是 GC 管理的主要区域。堆分为两个逻辑区域：

  • 新生代（Young Generation）：新对象分配在这里，GC 频率高、速度快。进一步分为 Eden 和两个 Survivor 区（S0/S1）。
  • 老年代（Old Generation）：经过多次 GC 仍存活的对象晋升到此区域，GC 频率低但耗时较长。

虚拟机栈

每个线程创建时分配一个栈，每个方法调用对应一个栈帧。栈帧存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。栈深度超过限制时抛出 StackOverflowError。

元空间（Metaspace）

Java 8 起替代永久代（PermGen），存储类的元数据、方法字节码、常量池等。元空间使用本地内存（而非堆内存），默认无上限（可通过 -XX:MaxMetaspaceSize 限制）。

分代 GC 直觉

JVM 基于"大部分对象很快消亡"的假设，采用分代收集策略：

对象分配 → Eden
            ├── Minor GC 后存活 → 复制到 S0
            ├── 再次 Minor GC 存活 → 复制到 S1
            └── 达到阈值（默认 15 次）→ 晋升到老年代
  • Minor GC（Young GC）：清理新生代，频繁但速度快（STW 时间短）。
  • Major GC / Full GC：清理老年代（通常也连带清理新生代），STW 时间较长，应尽量避免。
  • STW（Stop-The-World）：GC 发生时所有应用线程暂停。

常见 GC 收集器

收集器适用区域特点
Serial新生代单线程，适合客户端、小内存
Parallel新生代多线程并行，吞吐量优先（Java 8 默认）
CMS老年代低停顿，已标记废弃
G1全堆区域化分代，可预测停顿（JDK 9+ 默认）
ZGC（JDK 11+）全堆超低停顿（< 2ms），大堆场景

JDK 17+ 的默认收集器是 G1。G1 将堆划分为多个 Region，优先回收垃圾最多的 Region（Garbage-First），从而控制停顿时间。

常见的 JVM 参数

-Xms512m                    # 初始堆大小
-Xmx2g                      # 最大堆大小
-Xss256k                    # 线程栈大小
-XX:+UseG1GC                # 使用 G1 收集器
-XX:MaxGCPauseMillis=200    # G1 目标停顿时间
-XX:MetaspaceSize=128m      # 元空间初始大小
-XX:+PrintGCDetails         # 打印 GC 详情（JDK 8）
-Xlog:gc*                   # GC 日志（JDK 9+）
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  # OOM 时自动 dump 堆
-XX:HeapDumpPath=/path/to/dump  # dump 文件路径

小结

  • 堆分新生代（Eden + Survivor）和老年代，对象从新生代逐步晋升。
  • 虚拟机栈每方法调用分配一个栈帧，递归过深导致 StackOverflowError。
  • 元空间（Java 8+）替代永久代，存储类元数据，使用本地内存。
  • JDK 17+ 默认 G1 收集器，可预测停顿时间。
  • 易错：-Xms 和 -Xmx 设为不同值时，堆会在两者之间动态伸缩，影响性能。生产环境建议将两者设为相同值，避免运行期扩展开销。另外，StackOverflowError 是 Error 而非 Exception，try-catch 无法恢复。
  • 思考任务：在应用启动参数中加入 -Xlog:gc* -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/dump，运行一个会 OOM 的测试程序，观察 GC 日志。

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贡献者: 布欧-Lewyon