# JVM 和垃圾回收

## 问题

1. JVM 内存模型是怎样的？
2. 垃圾回收有哪些算法？G1 和 CMS 的区别？
3. 什么是 Stop-The-World？如何减少 STW 时间？
4. 常见的 OOM 及解决方案？
5. JVM 参数如何调优？
6. 如何分析 GC 日志？

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## 标准答案

### 1. JVM 内存模型

#### **运行时数据区**

```
┌─────────────────────────────────────┐
│         方法区（Method Area）         │
│  (类信息、常量、静态变量、JIT 代码)   │
└─────────────────────────────────────┘
┌─────────────────────────────────────┐
│              堆（Heap）              │
│     (对象实例、数组)                 │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐        │
│  │ 新生代   │  │  老年代   │        │
│  │ Eden     │  │          │        │
│  │ S0      │  │          │        │
│  │ S1      │  │          │        │
│  └──────────┘  └──────────┘        │
└─────────────────────────────────────┘
┌─────────────────────────────────────┐
│         JVM 栈（Java Stack）        │
│  (栈帧：局部变量、操作数栈、返回地址) │
└─────────────────────────────────────┘
┌─────────────────────────────────────┐
│        本地方法栈（Native Stack）    │
│      (Native 方法调用)               │
└─────────────────────────────────────┘
┌─────────────────────────────────────┐
│       程序计数器（PC Register）      │
│      (当前执行的字节码指令)           │
└─────────────────────────────────────┘
```

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### 2. 垃圾回收算法

#### **标记-清除（Mark-Sweep）**

**步骤**：
1. 标记存活对象
2. 清除未标记对象

**问题**：
- 产生内存碎片
- 标记和清除效率都不高

---

#### **复制（Copying）**

**步骤**：
1. 将存活对象复制到另一块内存
2. 清空当前内存

**优点**：
- 无内存碎片
- 简单高效

**缺点**：
- 内存利用率低（浪费一半）

**适用**：新生代（Eden + S0 + S1）

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#### **标记-整理（Mark-Compact）**

**步骤**：
1. 标记存活对象
2. 将存活对象向一端移动
3. 清理边界外的内存

**优点**：
- 无内存碎片

**缺点**：
- 移动对象成本高

**适用**：老年代

---

#### **分代收集（Generational）**

**原理**：
- **弱分代假说**：大多数对象朝生夕灭
- **新生代**：复制算法（Eden : S0 : S1 = 8 : 1 : 1）
- **老年代**：标记-整理或标记-清除

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### 3. 垃圾收集器

#### **Serial 收集器**

**特点**：单线程，STW

**适用**：客户端应用、小内存

```bash
-XX:+UseSerialGC
```

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#### **Parallel 收集器**

**特点**：多线程，STW

**适用**：后台任务、批处理

```bash
-XX:+UseParallelGC
```

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#### **CMS（Concurrent Mark Sweep）**

**特点**：并发收集，低停顿

**步骤**：
1. 初始标记（STW）
2. 并发标记
3. 重新标记（STW）
4. 并发清除

**问题**：
- CPU 敏感
- 浮动垃圾
- 内存碎片

```bash
-XX:+UseConcMarkSweepGC
```

---

#### **G1（Garbage First）**

**特点**：
- **可预测停顿**：用户指定停顿时间
- **分区回收**：将堆划分为多个 Region
- **优先回收垃圾多的 Region**

**适用**：大堆内存（> 6GB）、多核 CPU

```bash
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 目标停顿时间
```

---

#### **ZGC（Z Garbage Collector）**

**特点**：
- 并发整理（无内存碎片）
- 停顿时间 < 10ms
- 支持 TB 级堆内存

**适用**：超大内存、低延迟要求

```bash
-XX:+UseZGC
```

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### 4. OOM 及解决方案

#### **Java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space**

**原因**：堆内存不足

**解决**：
```bash
# 增加堆内存
-Xms4g -Xmx4g

# 使用 G1 收集器
-XX:+UseG1GC
```

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#### **Java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace**

**原因**：方法区（元空间）不足

**解决**：
```bash
# 增加元空间大小
-XX:MetaspaceSize=256m
-XX:MaxMetaspaceSize=512m
```

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#### **Java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded**

**原因**：GC 频繁，但回收内存少

**解决**：
- 增加堆内存
- 优化代码（减少对象创建）

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#### **Java.lang.StackOverflowError**

**原因**：栈深度过大（递归太深）

**解决**：
```bash
# 增加栈大小
-Xss2m
```

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### 5. JVM 参数调优

#### **常用参数**

```bash
# 堆内存
-Xms4g              # 初始堆大小
-Xmx4g              # 最大堆大小
-Xmn2g              # 新生代大小
-XX:MetaspaceSize=256m
-XX:MaxMetaspaceSize=512m

# GC 选择
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200

# GC 日志
-Xlog:gc*:file=/tmp/gc.log:time,tags:filecount=5,filesize=10m

# OOM 时自动 Dump
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=/tmp/
```

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#### **调优步骤**

```
1. 监控 GC 频率和停顿时间
2. 分析 GC 日志
3. 调整堆内存和新生代比例
4. 选择合适的 GC 收集器
5. 优化代码（减少对象创建）
6. 压测验证
```

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### 6. GC 日志分析

#### **工具**

- **GCViewer**：可视化分析
- **GCeasy**：在线分析（https://gceasy.io）
- **阿里 Arthas**：线上诊断

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#### **GC 日志示例**

```
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2048K->512K(2560K)] 2048K->1024K(9216K), 0.0023456 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 512K->0K(2560K)] [ParOldGen: 512K->512K(6656K)] 1024K->512K(9216K), [Metaspace: 5120K->5120K(1056768K)], 0.0234567 secs]
```

**解读**：
- **GC**：Minor GC
- **Full GC**：Major GC
- **Allocation Failure**：新生代不足
- **Ergonomics**：自适应调整
- **2048K->512K(2560K)**：回收前 2048K，回收后 512K，总容量 2560K
- **0.0023456 secs**：停顿时间

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### 7. 阿里 P7 加分项

**深度理解**：
- 理解 G1 的 Mixed GC 和 Region 设计
- 理解 ZGC 的染色指针和读屏障
- 理解 JVM 的 JIT 编译和逃逸分析

**实战经验**：
- 有处理线上 OOM 问题的经验
- 有 GC 参数调优的经验
- 有 GC 日志分析和优化经验

**架构能力**：
- 能设计高吞吐量或低延迟的 JVM 方案
- 能设计 JVM 监控和告警体系
- 能制定 JVM 调优规范

**技术选型**：
- 了解各种 GC 收集器的适用场景
- 了解 JDK 8/11/17/21 的 GC 改进
- 有 GraalVM 等新技术的使用经验