好嘞！ 各位看官，欢迎来到本专家（兼段子手）的 JVM 内存模型与垃圾回收专场！今天咱们不搞那些枯燥乏味的理论，咱们的目标是：用最通俗易懂的语言，把 JVM 这位“幕后英雄”扒个精光，让大家彻底搞明白它到底是怎么管理内存，又是如何优雅地清理垃圾的。
一、开场白：JVM，你这个磨人的小妖精！
话说这 JVM，全称 Java Virtual Machine，Java 虚拟机。它就像一个神秘的舞台，所有的 Java 程序都在上面翩翩起舞。但是，这个舞台可不是随便搭的，它有一套非常精密的内存管理机制，负责给演员们（也就是对象们）提供足够的空间，并且在演员谢幕后，还要负责把舞台清理干净，迎接下一场演出。
如果你只是个演员（写 Java 代码），你可能觉得 JVM 跟你没啥关系，反正代码能跑就行了。但如果你想成为一个优秀的导演（优化 Java 程序），你就必须深入了解 JVM 的内存模型和垃圾回收机制。否则，你的程序可能会出现各种奇奇怪怪的问题，比如内存溢出、性能瓶颈等等。
所以，今天咱们就来揭开 JVM 的神秘面纱，看看它到底是如何运作的。准备好了吗？ Let’s rock! 🤘
二、JVM 内存模型：舞台的划分与角色分配
JVM 的内存模型就像一个精心设计的舞台，它被划分成不同的区域，每个区域都有不同的用途，存放着不同的数据。我们可以把这些区域想象成舞台上的不同道具间、化妆间、休息室等等。
JVM 主要把内存划分成以下几个区域：
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堆（Heap）： 堆是 JVM 管理的最大的一块内存区域，也是垃圾回收的主要场所。所有的对象实例（包括数组）都存储在堆中。 我们可以把堆想象成一个巨大的仓库，里面堆满了各种各样的货物（对象）。
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特点： 线程共享，动态分配，容易产生内存碎片。
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用途： 存储对象实例。
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方法区（Method Area）： 方法区用于存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。在 JDK 8 之前，方法区也被称为“永久代”（Permanent Generation），但 JDK 8 已经移除了永久代，取而代之的是“元空间”（Metaspace）。
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特点： 线程共享，逻辑上属于堆的一部分。
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用途： 存储类信息、常量池、静态变量等。
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虚拟机栈（VM Stack）： 虚拟机栈是线程私有的，每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈。虚拟机栈中存储着栈帧，每个栈帧对应着一个方法。栈帧中包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
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特点： 线程私有，生命周期与线程相同。
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用途： 存储局部变量、方法参数、中间运算结果等。
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本地方法栈（Native Method Stack）： 本地方法栈与虚拟机栈类似，只不过虚拟机栈是为 Java 方法服务的，而本地方法栈是为本地方法（Native Method）服务的。本地方法通常是用 C/C++ 等语言编写的，它们可以调用操作系统底层的 API。
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特点： 线程私有，生命周期与线程相同。
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用途： 存储本地方法的局部变量、方法参数等。
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程序计数器（Program Counter Register）： 程序计数器也是线程私有的，它用于记录当前线程执行的字节码指令的地址。在多线程环境下，程序计数器可以帮助线程在切换时恢复到正确的执行位置。
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特点： 线程私有，生命周期与线程相同。
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用途： 记录当前线程执行的字节码指令地址。
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为了更清晰地了解这些内存区域的关系，咱们可以用一个表格来总结一下：
| 内存区域 | 特点 | 线程安全性 | 主要用途 |
|---|---|---|---|
| 堆（Heap） | 动态分配 | 线程共享 | 存储对象实例 |
| 方法区（Method Area） | 逻辑堆的一部分 | 线程共享 | 存储类信息、常量池、静态变量等 |
| 虚拟机栈（VM Stack） | 线程私有 | 线程安全 | 存储局部变量、方法参数、中间运算结果等 |
| 本地方法栈（Native Method Stack） | 线程私有 | 线程安全 | 存储本地方法的局部变量、方法参数等 |
| 程序计数器（Program Counter Register） | 线程私有 | 线程安全 | 记录当前线程执行的字节码指令地址 |
三、垃圾回收：舞台清洁工的辛勤工作
既然堆里面堆满了对象，那总会有一些对象变成“垃圾”，不再被使用。如果不及时清理这些垃圾，堆就会被塞满，最终导致内存溢出。所以，JVM 需要一个“舞台清洁工”来负责清理垃圾，这个清洁工就是垃圾回收器（Garbage Collector，简称 GC）。
垃圾回收器的主要任务是：
- 找到垃圾对象： 确定哪些对象已经不再被使用，可以被回收。
- 回收垃圾对象： 将垃圾对象占用的内存空间释放出来，以便分配给新的对象。
那么，垃圾回收器是如何找到垃圾对象的呢？主要有两种算法：
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引用计数算法（Reference Counting）： 给每个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时，计数器加 1；当对象失去引用时，计数器减 1。当计数器为 0 时，说明对象已经不再被使用，可以被回收。
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优点： 实现简单，效率高。
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缺点： 无法解决循环引用问题。例如，对象 A 引用对象 B，对象 B 又引用对象 A，此时 A 和 B 的引用计数器都为 1，但它们实际上已经不再被使用，应该被回收。
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可达性分析算法（Reachability Analysis）： 从一组被称为“GC Roots”的根对象开始，沿着引用链向下搜索，所有能够被 GC Roots 访问到的对象都被认为是“可达的”，反之则被认为是“不可达的”，也就是垃圾对象。
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优点： 可以解决循环引用问题。
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缺点： 实现复杂，需要进行全局扫描，效率相对较低。
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GC Roots 包括：
- 虚拟机栈中引用的对象。
- 方法区中静态属性引用的对象。
- 方法区中常量引用的对象。
- 本地方法栈中 JNI 引用的对象。
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找到了垃圾对象之后，垃圾回收器就要负责回收它们占用的内存空间。垃圾回收算法有很多种，每种算法都有不同的特点和适用场景。下面我们来介绍几种常见的垃圾回收算法：
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标记-清除算法（Mark-Sweep）： 分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。标记阶段从 GC Roots 开始，标记所有可达对象；清除阶段则遍历整个堆，将所有未被标记的对象（也就是垃圾对象）清除。
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优点： 实现简单。
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缺点： 容易产生内存碎片，导致后续分配大对象时无法找到足够的连续空间。
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复制算法（Copying）： 将堆分为两个区域：活动区和空闲区。每次只使用活动区，当活动区满了之后，就将活动区中的所有存活对象复制到空闲区，然后将活动区清空，交换活动区和空闲区的角色。
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优点： 不会产生内存碎片，分配效率高。
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缺点： 浪费一半的内存空间。
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标记-整理算法（Mark-Compact）： 与标记-清除算法类似，也分为标记阶段和整理阶段。标记阶段从 GC Roots 开始，标记所有可达对象；整理阶段则将所有存活对象向一端移动，然后将边界以外的内存空间清空。
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优点： 不会产生内存碎片，空间利用率高。
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缺点： 整理过程需要移动对象，效率相对较低。
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分代收集算法（Generational Collection）： 根据对象的生命周期将堆分为不同的代：新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代的对象生命周期短，老年代的对象生命周期长。针对不同的代，采用不同的垃圾回收算法。
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新生代： 通常采用复制算法，因为新生代的对象存活率低，复制的成本不高。新生代又分为 Eden 区和两个 Survivor 区（From Survivor 和 To Survivor）。新创建的对象通常被分配到 Eden 区，当 Eden 区满了之后，触发 Minor GC，将 Eden 区和 From Survivor 区中的存活对象复制到 To Survivor 区，然后交换 From Survivor 区和 To Survivor 区的角色。
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老年代： 通常采用标记-清除算法或标记-整理算法，因为老年代的对象存活率高，复制的成本很高。当老年代满了之后，触发 Major GC 或 Full GC。
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为了更清晰地了解这些垃圾回收算法的特点，咱们可以用一个表格来总结一下：
| 垃圾回收算法 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 引用计数算法 | 实现简单，效率高 | 无法解决循环引用问题 | 几乎不用 |
| 可达性分析算法 | 可以解决循环引用问题 | 实现复杂，需要全局扫描，效率相对较低 | 现代 JVM 普遍采用 |
| 标记-清除算法 | 实现简单 | 容易产生内存碎片 | 老年代（CMS 垃圾回收器） |
| 复制算法 | 不会产生内存碎片，分配效率高 | 浪费一半的内存空间 | 新生代 |
| 标记-整理算法 | 不会产生内存碎片，空间利用率高 | 整理过程需要移动对象，效率相对较低 | 老年代（Serial Old、Parallel Old 垃圾回收器） |
| 分代收集算法 | 针对不同代的特点采用不同的算法，提高垃圾回收效率 | 实现复杂 | 现代 JVM 普遍采用 |
四、垃圾回收器：舞台清洁工的团队
有了垃圾回收算法，还需要具体的垃圾回收器来实现。JVM 提供了多种垃圾回收器，每种垃圾回收器都有不同的特点和适用场景。我们可以把这些垃圾回收器想象成不同的清洁工团队，他们有的擅长快速清理，有的擅长精细打扫，有的擅长团队协作。
常见的垃圾回收器包括：
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Serial 垃圾回收器： 单线程垃圾回收器，在垃圾回收时会暂停所有的用户线程（Stop-The-World，简称 STW）。
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优点： 实现简单，适用于单核 CPU 的环境。
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缺点： 垃圾回收时会暂停所有的用户线程，影响用户体验。
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Parallel 垃圾回收器： 多线程垃圾回收器，可以并行地进行垃圾回收，缩短垃圾回收的时间。
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优点： 垃圾回收效率高，适用于多核 CPU 的环境。
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缺点： 垃圾回收时仍然会暂停所有的用户线程。
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CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器： 并发标记清除垃圾回收器，可以在用户线程运行的同时进行垃圾回收，尽量减少暂停时间。
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优点： 垃圾回收时暂停时间短，用户体验好。
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缺点： 容易产生内存碎片，对 CPU 资源消耗较高。
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G1（Garbage First）垃圾回收器： 一种面向服务端应用的垃圾回收器，它将堆划分为多个大小相等的区域（Region），每个区域都可以是 Eden 区、Survivor 区或老年代。G1 垃圾回收器会优先回收垃圾最多的区域，从而提高垃圾回收效率。
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优点： 垃圾回收效率高，暂停时间可预测，适用于大堆内存的应用。
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缺点： 实现复杂，对 CPU 资源消耗较高。
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为了更清晰地了解这些垃圾回收器的特点，咱们可以用一个表格来总结一下：
| 垃圾回收器 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| Serial 垃圾回收器 | 实现简单，适用于单核 CPU 的环境 | 垃圾回收时会暂停所有的用户线程，影响用户体验 | 客户端应用，或者单核 CPU 的服务器应用 |
| Parallel 垃圾回收器 | 垃圾回收效率高，适用于多核 CPU 的环境 | 垃圾回收时仍然会暂停所有的用户线程 | 需要高吞吐量的服务器应用 |
| CMS 垃圾回收器 | 垃圾回收时暂停时间短，用户体验好 | 容易产生内存碎片，对 CPU 资源消耗较高 | 对暂停时间敏感的服务器应用，例如 Web 应用、API 接口等 |
| G1 垃圾回收器 | 垃圾回收效率高，暂停时间可预测，适用于大堆内存的应用 | 实现复杂，对 CPU 资源消耗较高 | 大堆内存的应用，例如大型电商网站、金融系统等 |
五、垃圾回收调优：打造完美的舞台
了解了 JVM 的内存模型和垃圾回收机制，我们就可以根据应用的特点进行垃圾回收调优，从而提高应用的性能。垃圾回收调优的目标是：
- 减少垃圾回收的频率： 尽量减少对象的创建，避免不必要的内存分配。
- 缩短垃圾回收的时间： 选择合适的垃圾回收器，调整垃圾回收器的参数。
- 避免内存溢出： 合理设置堆的大小，监控内存使用情况。
一些常见的垃圾回收调优技巧包括：
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选择合适的垃圾回收器： 根据应用的特点选择合适的垃圾回收器。例如，如果应用对暂停时间非常敏感，可以选择 CMS 或 G1 垃圾回收器；如果应用需要高吞吐量，可以选择 Parallel 垃圾回收器。
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调整堆的大小： 合理设置堆的大小，避免堆太小导致频繁的垃圾回收，也避免堆太大导致垃圾回收时间过长。通常情况下，堆的大小应该设置为物理内存的 1/2 到 3/4。
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调整新生代和老年代的比例： 新生代越大，Minor GC 的频率越低，但 Major GC 的频率越高；老年代越大，Major GC 的频率越低，但 Minor GC 的频率越高。需要根据应用的特点进行权衡。
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调整 Eden 区和 Survivor 区的比例： Eden 区越大，Minor GC 的频率越低，但 Survivor 区的空间越小，容易导致对象过早进入老年代。需要根据应用的特点进行权衡。
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使用工具监控垃圾回收： 使用 JConsole、VisualVM 等工具监控垃圾回收的情况，分析垃圾回收的瓶颈，并进行相应的调整。
六、总结：JVM，你真是个宝藏！
好了，各位看官，今天的 JVM 内存模型与垃圾回收专场就到这里了。希望通过今天的讲解，大家对 JVM 的内存模型和垃圾回收机制有了更深入的了解。
JVM 就像一个宝藏，里面蕴藏着无数的秘密。只有深入了解它，才能更好地驾驭它，让我们的 Java 程序跑得更快、更稳、更省内存！
最后，送大家一句名言：“理解 JVM，才能成为真正的 Java 大师！” 💪
感谢大家的观看！咱们下期再见！ 👋