JVM

JVM（Java Virtual Machine）是运行Java字节码的虚拟计算机，负责内存管理、垃圾回收、类加载等核心功能。JVM 内存管理的核心是堆空间分代和垃圾收集器选型，理解 GC 算法和收集器差异是 JVM 调优的基础。

JVM 知识结构：

堆空间的基本结构

JVM 堆是垃圾收集器管理的主要区域，分为新生代（Eden 区 + 两个 Survivor 区）和老年代。对象在堆中的分配遵循三个规则：

对象优先在 Eden 区分配
大对象直接进入老年代
长期存活的对象将进入老年代

JVM 堆内存分代结构：

GC 分类

针对 HotSpot VM 的实现，GC 分为两大类：

部分收集（Partial GC）：

Minor GC / Young GC：只对新生代进行垃圾收集
Major GC / Old GC：只对老年代进行垃圾收集（部分语境中也指整堆收集）
Mixed GC：对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集

整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器就加 1；当引用失效，计数器就减 1；任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

可达性分析算法

通过一系列称为 "GC Roots" 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连，则证明此对象是不可用的。

可作为 GC Roots 的对象：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
本地方法栈（Native 方法）中引用的对象
方法区中类静态属性引用的对象
方法区中常量引用的对象
所有被同步锁持有的对象

垃圾收集算法

垃圾收集算法是虚拟机垃圾收集的理论基础，用于确定哪些对象需要回收以及如何回收。

四种 GC 算法的关系与适用场景：

标记-清除算法

分为"标记"和"清除"阶段：首先标记出所有不需要回收的对象，标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。这是最基础的收集算法，后续算法都是对其不足进行改进。两个明显问题：效率问题和空间碎片问题。

标记-复制算法

将内存分为大小相同的两块，每次使用其中一块。当这一块用完后，将存活对象复制到另一块，然后把使用空间一次清理掉。代价是每次只使用一半内存。

标记-整理算法

针对老年代特点：标记过程与标记-清除一样，但后续让所有存活对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

根据对象存活周期将内存分为新生代和老年代，分别选择合适的 GC 算法。新生代每次有大量对象死去，适合标记-复制算法；老年代对象存活率高，适合标记-清除或标记-整理算法。

垃圾收集器

垃圾收集器是垃圾收集算法的具体实现，不同收集器适用于不同场景。

收集器演进路线——从单线程到低停顿：

Serial 收集器

最基本、历史最悠久的收集器，单线程执行，进行垃圾收集时必须暂停所有工作线程（Stop The World）。新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

ParNew 收集器

Serial 的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为与 Serial 完全一样。是 Server 模式下首选的新生代收集器，因为只有它能与 CMS 配合工作。

Parallel Scavenge 收集器

关注吞吐量（CPU 用于运行用户代码时间与总时间的比值），适合后台计算密集型任务。可通过 -XX:MaxGCPauseMillis 控制停顿时间，或 -XX:GCTimeRatio 设置吞吐量目标。

CMS 收集器

以最短回收停顿时间为目标，适合与用户交互的应用。基于标记-清除算法，分为四个阶段：

CMS 收集器工作流程：

缺点：CPU 敏感、无法处理浮动垃圾、产生空间碎片。

G1 收集器

面向服务端应用，目标是可控停顿时间。将堆划分为多个等大的 Region，每个 Region 可以是 Eden、Survivor、Old 或 Humongous。通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设定停顿目标。

ZGC 收集器

JDK 11 引入的实验性收集器，目标是亚毫秒级停顿，支持 TB 级堆。使用染色指针和读屏障技术，几乎全程并发执行。

收集器对比：

收集器	算法	代	特点	适用场景
Serial	标记-复制	新生代	单线程，STW	客户端、小堆
ParNew	标记-复制	新生代	多线程，STW	配合 CMS
Parallel Scavenge	标记-复制	新生代	吞吐量优先	后台计算
CMS	标记-清除	老年代	低停顿	交互式应用
G1	混合	整堆	可控停顿	服务端（默认）
Z1	染色指针	整堆	亚毫秒停顿	超大堆

特性	说明	保证方式
原子性	操作不可中断	synchronized、Lock、CAS
可见性	修改后其他线程可见	volatile、synchronized、final
有序性	按代码顺序执行	volatile（禁止重排序）、Happens-Before

volatile 关键字

volatile 通过内存屏障保证可见性和有序性，但不保证原子性。典型使用场景：状态标志位、DCL 单例模式中的 instance 变量。

Happens-Before 原则

Happens-Before 是 JMM 的核心规则，用于判断多线程环境下的操作可见性：

规则	说明	示例
程序顺序	同一线程内，前面的操作先行于后面	`a=1; b=2;` → a 先于 b
监视器锁	unlock 先行于后续的 lock	`synchronized` 块结束先于进入
volatile 变量	写先于后续读	`volatile x=1` 先于 `read x`
线程启动	`start()` 先于线程内操作	`t.start()` 先于 t 内代码
线程终止	线程内操作先于 `isAlive()` 为 false	检测线程结束
中断规则	`interrupt()` 先于检测中断	`t.interrupt()` 先于 `t.isInterrupted()`
终结器规则	构造函数先于 `finalize()`	对象创建先于回收
传递性	A 先于 B，B 先于 C → A 先于 C	规则可传递组合

类加载机制

类的生命周期包括加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载七个阶段。其中验证、准备、解析统称为连接。

类加载过程：

双亲委派模型

类加载器收到加载请求时，先委托父加载器处理，只有父加载器无法完成时才自己加载。这保证了核心类（如 java.lang.Object）不会被篡改。

加载器	职责	加载路径
BootstrapClassLoader	加载核心类库	`JAVA_HOME/lib`
ExtensionClassLoader	加载扩展类	`JAVA_HOME/lib/ext`
AppClassLoader	加载应用类	classpath
自定义加载器	特殊需求	自定义路径

线程安全与锁优化

线程安全级别

级别	说明	示例
不可变	状态不可修改	final 对象、String、无状态对象
绝对线程安全	任何操作都安全	ConcurrentHashMap
相对线程安全	单操作安全，组合可能不安全	Vector
线程兼容	需要外部同步	ArrayList
线程对立	无论如何都不安全	Thread.stop()

锁升级过程

锁状态从低到高升级，不可降级（重量级锁只能回到无锁）：

锁类型	适用场景	加锁开销
偏向锁	同一线程反复进入	极低（无需 CAS）
轻量级锁	不同线程交替进入	较低（一次 CAS）
重量级锁	竞争激烈	较高（线程阻塞）

// 伪代码结构
ClassFile {
    u4 magic;                // 0xCAFEBABE
    u2 minor_version;
    u2 major_version;
    cp_info constant_pool[]; // 常量池
    u2 access_flags;         // 访问标志
    u2 this_class;           // 类索引
    u2 super_class;          // 父类索引
    u2 interfaces[];         // 接口表
    field_info fields[];     // 字段表
    method_info methods[];   // 方法表
    attribute_info attrs[];  // 属性表
}

字节码指令由操作码（1字节）+ 操作数组成。javap 是 JDK 内置反编译工具，配合 jclasslib 可可视化分析。

JVM