JVM 内存分配与垃圾回收策略

1. JVM 内存结构概览

详细请参考：

Java 内存区域全解  

Java 虚拟机在执行 Java 程序时，会将不同类型的数据分配到不同的内存区域，这些内存区域各自承担不同的职责。理解 JVM 的内存结构是深入掌握对象分配与垃圾回收策略的前提。

1.1 Java 内存模型简述

Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）定义了线程之间共享变量的可见性与有序性保障，其核心并非物理内存结构，而是抽象行为规则。然而，与之紧密关联的 JVM 运行时数据区才是程序实际运行的内存基础。

Java 虚拟机规范定义了如下运行时内存结构：

• 程序计数器

• 虚拟机栈

• 本地方法栈

• Java 堆（Heap）

• 方法区（JDK 8 后演变为元空间 Metaspace）

其中，与垃圾回收密切相关的主要是 Java 堆和方法区（元空间），因为这两者中的内存是“共享的”，生命周期较长。

1.2 Java 堆（Heap）分代结构

Java 堆是 JVM 管理的最大一块内存空间，几乎承载了所有的对象实例。根据对象生命周期不同，堆被进一步划分为不同的区域：

• 年轻代（Young Generation）

  • Eden 区

  • Survivor 区（From、To）

• 老年代（Old Generation）

这种分代结构的设计基于“多数对象朝生夕死”的假设，大量临时对象会在短时间内被回收，因此年轻代的回收频率更高。

// 示例代码：通过对象创建演示 Eden 区分配
public class EdenAllocation {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] allocation2 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] allocation3 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] allocation4 = new byte[4 * 1024 * 1024]; // 触发 Minor GC
    }
}

运行参数示例：

-XX:+PrintGCDetails -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8

此配置将堆内存固定为 20M，年轻代为 10M，其中 Eden:Survivor = 8:1:1，可用于观察对象在 Eden 区的分配与 Minor GC 的触发。

1.3 方法区与元空间

方法区（Method Area）用于存储类的结构信息（如类元数据、静态变量、常量池等），在 JDK 8 之前由永久代（PermGen）实现，但永久代存在一些难以扩展的问题，如空间固定、类卸载难。

JDK 8 起，永久代被废除，取而代之的是元空间（Metaspace）。

元空间不再是 JVM 堆的一部分，而是使用本地内存进行管理。

// 示例代码：模拟类加载导致元空间溢出
import javassist.ClassPool;

public class MetaspaceOOM {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
        while (true) {
            pool.makeClass("MetaspaceOOM" + System.nanoTime()).toClass();
        }
    }
}

运行参数示例：

-XX:MaxMetaspaceSize=64M

该示例可用于模拟元空间溢出（Metaspace OutOfMemoryError），从而帮助理解元空间的内存限制。

1.4 非堆内存与直接内存

除了堆内存，JVM 还使用非堆内存（如直接内存 Direct Memory），这些内存区域由 sun.misc.Unsafe 或 ByteBuffer.allocateDirect() 直接分配，不受堆大小限制，但仍受系统物理内存与 JVM 参数约束。

// 示例代码：申请直接内存
import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectMemoryExample {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(100 * 1024 * 1024);
        System.out.println("直接内存分配成功");
    }
}

若频繁使用而未正确释放，可能导致 OutOfMemoryError: Direct buffer memory。

2. 对象在内存中的分配原则

对象在 JVM 中的内存分配并非随意进行，而是由一整套策略驱动。这些策略不仅决定了对象的初始落位，还决定了它的晋升轨迹。理解这些规则是 GC 调优的前提。

2.1 对象优先在 Eden 区分配

在大多数情况下，新创建的对象都会优先分配在年轻代的 Eden 区。这一原则基于“朝生夕死”的假设，认为大多数对象生命周期较短，因此应尽早在 Minor GC 中回收。

public class EdenTest {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            byte[] temp = new byte[1 * 1024 * 1024];
        }
    }
}

运行参数：

-XX:+PrintGCDetails -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8

可以观察到大量对象在 Eden 中被快速分配与回收。

2.2 大对象直接进入老年代

所谓“大对象”，是指需要大量连续内存空间的对象，如长数组、BufferedImage 等。若直接放入 Eden，不仅容易造成内存碎片，还可能频繁触发 GC。

因此 JVM 提供了参数 -XX:PretenureSizeThreshold，超过该阈值的对象会直接进入老年代。

public class BigObjectTest {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] big = new byte[5 * 1024 * 1024];
    }
}

参数示例：

-XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -XX:PretenureSizeThreshold=3145728 -XX:+PrintGCDetails

此设置将大于 3MB 的对象直接分配到老年代。

2.3 长期存活的对象晋升到老年代

在经历多次 Minor GC 后仍然存活的对象，JVM 会将其从年轻代晋升到老年代。

晋升的判断依据主要是对象的“年龄”，该年龄由 JVM 跟踪。

默认情况下，15 次 GC 后对象会晋升，但这一阈值可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 修改。

public class TenuringThresholdTest {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1 = new byte[_1MB / 4];
        byte[] allocation2 = new byte[4 * _1MB];
        byte[] allocation3 = new byte[4 * _1MB];
        allocation3 = null;
        allocation3 = new byte[4 * _1MB];
    }
}

参数：

-XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:MaxTenuringThreshold=1 -XX:+PrintTenuringDistribution -XX:+PrintGCDetails

观察日志中“tenured”字段可判断对象是否已晋升。

2.4 动态对象年龄判定

为提升内存利用率，JVM 不仅仅依据年龄阈值来决定对象是否晋升，还引入了“动态年龄判断”。

具体逻辑是：如果某一年龄段所有对象的总大小超过 Survivor 区的一半，那么年龄 ≥ 当前值的对象将直接晋升老年代。

这种机制可避免 Survivor 区频繁爆满，提高 GC 效率。

2.5 空间分配担保机制

在执行 Minor GC 前，JVM 会检查老年代是否有足够空间用于担保转移对象。如果担保失败，就会触发一次 Full GC。

这机制称为“空间分配担保”（Allocation Guarantee）。

参数 -XX:+HandlePromotionFailure 在 JDK 6u24 后默认开启，表示若老年代担保失败将触发 Full GC，而不是直接崩溃。

3. 垃圾回收算法详解

详细请参考：JVM 垃圾收集算法全面解析

JVM 中的垃圾回收并非使用一种统一的算法，而是根据不同代的特点和 GC 策略，组合使用多种经典算法以优化内存回收效率和应用停顿时间。本章将详细介绍几种核心垃圾回收算法。

3.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

该算法是最基础的垃圾回收方法，分为两个阶段：

1. 标记（Mark）： 遍历所有可达对象，做标记。

2. 清除（Sweep）： 清理所有未被标记的对象，释放内存空间。

优点：

• 实现简单，适用于老年代。

缺点：

• 内存碎片严重，因清除后不会整理空间，导致大对象分配失败。

• GC 停顿时间较长。

// 模拟内存碎片的产生
List<byte[]> allocations = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    allocations.add(new byte[1 * 1024 * 1024]);
}
for (int i = 0; i < 50; i++) {
    allocations.set(i, null); // 模拟内存空洞
}
System.gc();

3.2 标记-整理算法（Mark-Compact）

为解决标记-清除算法中的碎片问题，标记-整理算法在标记后将存活对象向一端移动，随后清理末尾空间。

优点：

• 避免内存碎片。

缺点：

• 移动对象代价较高。

老年代 GC（如 CMS 的 Full GC）常采用该算法。

// 实际不可见，但可以通过 -XX:+PrintGCDetails 观察整理日志
System.gc();

3.3 复制算法（Copying）

该算法将内存划分为两块（如 Eden 和 Survivor），每次只使用其中一块。当发生 GC 时，将存活对象复制到另一块，清空原始区域。

优点：

• 无需整理，无碎片，速度快。

缺点：

• 空间浪费（仅使用一半内存）。

年轻代通常使用该算法，因对象生命周期短，复制效率高。

// 创建大量临时对象观察复制行为
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    byte[] temp = new byte[1 * 1024 * 1024];
}

运行参数：

-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails

3.4 分代收集理论（Generational Collection）

现代 JVM 垃圾回收的核心理论，即将堆分为不同“代”处理对象：

• 年轻代（Young）： 使用复制算法，频繁回收。

• 老年代（Old）： 使用标记-清除或标记-整理算法，回收频率低。

分代收集的关键优势：

• 针对不同生命周期的对象采用不同算法，提升效率与性能。

示例参数（Serial GC 分代行为）：

-XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails

4. 主流垃圾收集器比较

本章将介绍 JVM 中常见的几种垃圾收集器（GC），探讨它们使用的算法、应用场景、性能特征以及各自优劣，帮助开发者合理选择合适的 GC 策略。

4.1 Serial 垃圾收集器

详细请参考：垃圾收集器-Serial        垃圾收集器-Serial Old

特点： 单线程处理所有 GC 工作，包括标记与回收，适合内存较小、单核 CPU 环境。

• 年轻代算法：复制算法

• 老年代算法：标记-整理

• 是否并行：否

• 是否并发：否

优点： 实现简单，额外开销低。 缺点： GC 期间所有线程停止（Stop-The-World），延迟高。

使用场景：命令行工具、嵌入式设备、小型服务。

示例参数：

-XX:+UseSerialGC

4.2 Parallel 垃圾收集器（又称 Throughput Collector）

详细请参考：垃圾收集器-Parallel Scavenge  垃圾收集器-Parallel Old

特点： 多线程处理 GC，目标是最大化吞吐量（即 GC 时间占比最小）。

• 年轻代算法：并行复制

• 老年代算法：并行标记-整理（Parallel Old）

• 是否并行：是

• 是否并发：否

优点： 吞吐量高，适合批量处理任务。 缺点： 停顿时间仍然较长，不适用于低延迟场景。

使用场景：数据处理、后台批量任务、高计算密度服务。

示例参数：

-XX:+UseParallelGC

4.3 CMS（Concurrent Mark Sweep）

详细请参考：垃圾收集器-CMS

特点： 以最小化 GC 停顿时间为目标，通过并发标记与清除减少停顿时间。

• 年轻代算法：并行复制（默认）

• 老年代算法：标记-清除

• 是否并行：部分并行

• 是否并发：是（老年代）

优点： 响应时间快，适合用户交互型应用。 缺点： 会产生内存碎片；并发阶段会占用 CPU，可能影响业务线程。

使用场景：中大型网站、互联网服务、需要响应速度的系统。

示例参数：

-XX:+UseConcMarkSweepGC

提示： CMS 在 JDK 9 中标记为“Deprecated”，推荐迁移到 G1。

4.4 G1（Garbage First）

详细请参考：垃圾收集器-G1（Garbage First）

特点： 以区域（Region）为单位管理内存，实现并行与并发收集，兼顾吞吐与低停顿。

• 算法：并行 + 并发 + 分代 + 增量压缩

• 是否并行：是

• 是否并发：是

优点： 停顿可控、适合大内存、高并发。 缺点： 调优复杂，学习成本略高。

使用场景：大中型企业级系统、大内存部署环境。

示例参数：

-XX:+UseG1GC

4.5 ZGC（Z Garbage Collector）

详细请参考：垃圾收集器-ZGC

特点： 极低延迟的垃圾收集器，GC 停顿时间控制在 1~2ms，适用于大内存场景。

• 算法：并发标记 + 重分配（Colored Pointer）

• 是否并行：是

• 是否并发：是

优点： 停顿时间极低，适合低延迟业务。 缺点： 对硬件和系统版本有要求；内存占用偏高。

使用场景：金融交易系统、在线游戏、大数据实时分析。

示例参数（JDK 15+）：

-XX:+UseZGC

4.6 Shenandoah

详细请参考：垃圾收集器-Shenandoah

特点： 与 ZGC 类似，追求“并发整理”的低延迟垃圾回收器，停顿时间不随堆大小线性增长。

• 算法：并发标记 + 并发整理

• 是否并行：是

• 是否并发：是

优点： 停顿极短，适用于响应时间敏感的场景。 缺点： 和 ZGC 一样对 JVM 支持版本、内存等有较高要求。

使用场景：云服务、电商、高并发应用。

示例参数（JDK 12+）：

-XX:+UseShenandoahGC

5. 内存分配与回收在不同收集器中的实现

不同垃圾收集器不仅在算法上有所差异，更重要的是它们在内存分配、对象晋升、回收触发机制等方面具有独特的实现细节。本章将结合前三章的基础，深入分析各收集器在内存管理方面的具体策略。

5.1 G1 中的内存分配机制

G1 将整个堆划分为若干个大小相同的 Region（区域），每个 Region 可充当 Eden、Survivor 或 Old 区的一部分。

内存分配：

• G1 优先从空闲 Region 中分配 Eden 区。

• Survivor 区由 G1 动态分配数量的 Region。

• 老年代也是由多个 Region 构成。

GC 触发与过程：

• G1 使用 预测模型，决定在可接受的停顿时间内清理哪些 Region（Mixed GC）。

• 使用 Remembered Set（RSet）记录跨 Region 的引用关系，提升并发可达性分析效率。

// G1 GC 示例参数
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Xmx512m -Xms512m -XX:+PrintGCDetails

晋升机制：

• 对象在 Minor GC 中经过多次复制会晋升到老年代 Region。

• G1 的 Mixed GC 会同时清理部分老年代与年轻代，提高老年代回收效率。

5.2 ZGC 的颜色指针机制

ZGC 引入了革命性的“着色指针（Colored Pointers）”技术，以便实现高并发、低延迟回收。

内存分配：

• 内存区域被分为小对象区域（小于 256KB）与大对象区域。

• 所有 Region 被动态映射管理，不同内存块通过元数据统一追踪。

GC 过程分为三个阶段：

1. 并发标记（Concurrent Mark）： 标记可达对象。

2. 并发重定位（Concurrent Relocate）： 对象迁移并更新引用。

3. 并发重映射（Concurrent Remap）： 通过“指针解码”更新地址引用。

ZGC 不会在 GC 期间移动对象导致长时间 Stop-The-World，只需短暂停顿用于 GC 开始和结束信号。

// ZGC 示例参数
-XX:+UseZGC -Xmx2G -Xms2G -XX:+PrintGCDetails

优势在于：

• 极短暂停时间

• 不依赖分代模型

• 适合极大堆内存的环境（最大支持 16TB）

5.3 Shenandoah 的并发回收

Shenandoah 与 ZGC 类似，采用 Region + 并发压缩 + 并发引用更新 模式，目标是停顿时间与堆大小解耦。

内存布局与分配：

• 与 G1 相似，堆被划分为 Region

• 每次 GC 会选取多个 Region 并发标记和移动对象

GC 步骤：

1. 并发标记（Concurrent Mark）

2. 并发清理（Concurrent Cleanup）

3. 并发压缩（Concurrent Compact）

4. 并发引用更新（Concurrent Update References）

// Shenandoah 示例参数
-XX:+UseShenandoahGC -Xmx2G -Xms2G -XX:+PrintGCDetails

与 ZGC 区别：

• Shenandoah 采用 读屏障（Read Barrier） 实现并发引用更新

• ZGC 使用 指针编码

优点：

• 停顿时间低

• 支持更低版本 JDK（JDK 11+）

• 可动态触发回收（如低占用 GC）