JVM：内存、GC 与性能调优

第 16 章 · JVM：内存、GC 与性能调优

本章目标：画出 JVM 运行时内存结构并说清各区域存什么；理解对象生命周期与 GC Roots 可达性分析；掌握标记-清除/复制/标记-整理三大算法与分代假说；能为服务选型 Parallel / G1 / ZGC 收集器；读懂 GC 日志；会用 jps/jstat/jmap/jstack/JFR/Arthas 工具链；完成一次 OOM 排查演练；了解双亲委派类加载；树立「先测量、再调优」的方法论；对照 python-dev 的引用计数与分代回收。

学时建议：5～6 小时（含 2 小时实验）

前置：完成 ch01 JVM 简述、ch10 多线程、ch15 并发进阶。

16.1 场景说明：凌晨两点的告警

toolkit-demo 报表服务上线三个月，凌晨批量任务时段监控告警：CPU 飙到 90%、接口 P99 从 50ms 涨到 2s，最后 OutOfMemoryError: Java heap space 进程退出。不会 JVM 的工程师只能重启；会 JVM 的工程师能回答三个问题：

① 内存涨到哪里去了？（看堆、看 Dump）
② GC 为什么这么频繁？（看日志、看回收器）
③ 参数该不该调，调哪个？（先测量再动手）

本章把这三个问题逐项落实为可操作的技能。

说明：本章实验均在本地 ~/learn-java 进行，压测数值为教学虚构示意。

16.2 JVM 运行时内存结构

┌──────────────────────── JVM 进程 ────────────────────────┐
│  堆 Heap（线程共享，GC 主战场）                            │
│    ├─ 年轻代：Eden + Survivor0 + Survivor1                │
│    └─ 老年代：长期存活对象                                 │
│  元空间 Metaspace（类元数据，本地内存）                    │
│  虚拟机栈（每线程一条，栈帧=方法调用：局部变量/操作数栈）   │
│  本地方法栈（native 方法）                                 │
│  程序计数器（每线程一条，记录执行位置，唯一不 OOM 的区域）  │
│  直接内存 Direct Memory（NIO Buffer，堆外）                │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

区域	存什么	溢出形态
堆	`new` 出来的对象	`OutOfMemoryError: Java heap space`
元空间	类定义、方法元数据	`OutOfMemoryError: Metaspace`
栈	方法调用的局部变量	`StackOverflowError`（无限递归）
直接内存	NIO `ByteBuffer.allocateDirect`	`OutOfMemoryError: Direct buffer memory`

16.3 对象生命周期与 GC Roots

对象从生到死的判定靠可达性分析：从 GC Roots 出发走引用链，走不到的就是垃圾：

GC Roots（起点）
  ├─ 虚拟机栈局部变量（正在执行的方法里的引用）
  ├─ 静态字段（类级别的引用）
  ├─ JNI 引用
  └─ 活跃线程对象
        │
        ▼ 引用链
  可达对象 → 存活        不可达对象 → 回收

Product p = new Product("BK-001", "Java 基础", 59.9);  // 栈上 p 引用堆中对象 → 可达
p = null;                                              // 链断了 → 下次 GC 可回收

引用类型	强度	回收时机
强引用	默认	永不（除非不可达）
软引用 `SoftReference`	内存不足才回收	缓存场景
弱引用 `WeakReference`	下次 GC 必回收	ThreadLocalMap 的 key
虚引用 `PhantomReference`	仅作回收通知	堆外内存管理

16.4 三大回收算法与分代假说

算法	做法	优点	缺点
标记-清除	标记后原地删除	简单	内存碎片
复制	存活对象搬到另一半	无碎片、快	浪费一半空间
标记-整理	标记后向一端压缩	无碎片不浪费	移动成本高

分代假说（经验规律）：绝大多数对象朝生夕死；熬过几轮的对象大概率长期存活。于是堆分年轻代/老年代：

新对象 → Eden ──Minor GC──> 存活复制到 Survivor ──熬过年齡阈值──> 老年代
              （复制算法，频繁但快）                  （标记-整理，不频繁但慢）

16.5 主流收集器与选型

收集器	特点	适用
Parallel（JDK 8 默认）	多线程吞吐优先，STW 较长	批处理、对延迟不敏感
G1（JDK 9+ 默认）	分 Region，可设停顿目标	大多数服务的稳妥默认
ZGC / Shenandoah	亚毫秒停顿，并发整理	大堆（>16G）、低延迟交易

选型口诀：默认 G1 起步；堆特别大或延迟极敏感再评估 ZGC；离线批跑 Parallel 足够。切勿「听说 ZGC 快」就盲目换——停顿之外的吞吐、内存占用都要测量。

16.6 常用 JVM 参数

java -Xms512m -Xmx2g \                # 堆初始/最大（生产建议设相等，避免动态扩缩抖动）
     -XX:+UseG1GC \                   # 指定收集器
     -XX:MaxGCPauseMillis=200 \       # G1 停顿目标
     -Xlog:gc*:file=gc.log:time,level,tags \   # JDK 9+ 统一日志
     -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \         # OOM 时自动 dump
     -XX:HeapDumpPath=./dumps \       # dump 存放目录
     -jar app.jar

参数	说明
`-Xms` / `-Xmx`	堆初始/最大值
`-XX:MaxMetaspaceSize`	元空间上限（防类加载泄漏撑爆本地内存）
`-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError`	排障必备，生产也应打开
`-Xlog:gc*`	JDK 9+ GC 日志（替代旧的 `-XX:+PrintGCDetails`）

16.7 读懂 GC 日志

一行典型的 G1 日志（JDK 21）：

[2026-08-19T02:13:45.102+0800][info][gc] GC(35) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 512M->368M(1024M) 12.345ms

拆解：GC(35) 第 35 次；Pause Young 年轻代回收；512M->368M(1024M) 回收前 512M、回收后 368M、总堆 1024M；12.345ms 停顿耗时。

关注信号：

信号	可能问题
Full GC 频繁（每小时多次）	老年代泄漏或堆太小
回收后内存降幅很小	对象都被长引用攥着（泄漏嫌疑）
单次停顿超目标值	Region 过大 / 存活对象过多
Promotion 失败	老年代空间不足，年轻代被迫提前晋升

16.8 工具链速查

工具	用途	示例
`jps -l`	找进程	`jps -l`
`jstat`	实时 GC 统计	`jstat -gcutil <pid> 1s`（每秒刷新各代使用率）
`jmap`	堆 dump / 直方图	`jmap -dump:live,format=b,file=heap.hprof <pid>`
`jstack`	线程快照	死锁排查（ch15）
`jcmd`	瑞士军刀	`jcmd <pid> GC.heap_info`
JFR	低开销飞行记录	`jcmd <pid> JFR.start duration=60s filename=rec.jfr`
Arthas	在线诊断（阿里开源）	`dashboard`、`watch`、`trace` 不重启查问题
MAT / VisualVM	图形化分析 dump	找支配树、查泄漏 suspects

jstat 输出解读：YGC/YGCT 年轻代次数/耗时；FGC/FGCT Full GC 次数/耗时——FGC 持续增长就是内存问题的红灯。