java内存模型及垃圾回收机制

一、Java内存模型（Java Memory Model, JMM）

1.1 JMM核心定义

Java内存模型（JMM）作为多线程编程的核心规范，明确定义了共享变量（包含对象字段与数组元素）的访问规则，以及线程间的数据交互机制。其核心目标是建立线程操作可见性、指令执行有序性的标准化模型，确保并发环境下的程序可预测性。

1.2 内存架构分层

• 主内存：全局共享存储区域，所有共享变量的原始存储位置

• 工作内存：线程私有缓存空间，存储主内存变量的副本。线程所有数据操作均在工作内存执行，操作结果通过JMM控制策略同步至主内存

1.3 可见性保障机制

JMM通过以下方式实现跨线程操作可见性：

• volatile变量：强制读写操作直连主内存，禁止缓存优化，确保修改即时全局可见

• 同步锁（synchronized）：临界区操作自动触发主内存刷新与同步

• final常量：构造函数完成后的不可变对象具备跨线程可见性

注意：volatile仅保证可见性与禁止指令重排，不提供复合操作的原子性保障

1.4 指令重排与有序性控制

JMM通过happens-before规则建立跨线程操作时序约束，允许编译器/处理器进行性能优化级别的指令重排，但需满足：

1. 程序顺序规则：线程内操作按代码顺序生效

2. volatile规则：写操作优先于后续读操作

3. 锁规则：解锁操作优先于后续加锁操作

4. 线程启动规则：线程启动前的修改对线程内操作可见

5. 传递性规则：若A→B且B→C，则A→C

二、Java垃圾回收机制（Garbage Collection, GC）

2.1 核心设计理念

自动内存管理机制通过以下方式提升开发效率：

• 对象可达性分析（GC Roots追踪）

• 分代生命周期管理

• 多种回收算法协同工作

• 开发者无需显式内存释放

2.2 经典回收算法对比

算法	执行过程	优势	缺陷	适用场景
标记-清除	标记存活对象→清除未标记对象	实现简单	内存碎片化	老年代回收
复制算法	存活对象迁移至预留空间→清空原区域	无碎片化	内存利用率50%	新生代回收
标记-整理	标记→存活对象压缩至内存一端	无碎片+空间连续	移动开销大	老年代回收
分代收集	按对象生命周期分区管理	针对性回收策略	算法组合复杂度高	全堆管理

2.3 分代内存管理架构

• 新生代（Young Generation）

  • 结构：Eden(80%) + Survivor From(10%) + Survivor To(10%)

  • 对象晋升路径：Eden → Survivor（15次GC阈值）→ 老年代

  • GC策略：高频Minor GC（复制算法）

• 老年代（Old Generation）

  • 存储特征：长生命周期对象

  • GC策略：低频Full GC（标记-清除/标记-整理）

• 元数据区（Metaspace）

  • JDK8+替代永久代，存储类元信息

  • 使用本地内存，自动扩展空间

2.4 主流垃圾回收器

回收器	工作模式	暂停类型	适用场景
Serial	单线程STW	全程暂停	客户端程序/小内存
Parallel	多线程STW	全程暂停	吞吐量优先型服务端
CMS	并发标记	部分阶段暂停	低延迟响应系统
G1	区域化回收	可预测暂停	大内存多核服务器（JDK9+默认）

2.5 GC触发机制

• 新生代触发：Eden区分配失败

• 老年代触发：空间占用超过阈值

• 元数据区触发：类元数据超过MaxMetaspaceSize

• 显式触发：System.gc()（需配合-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent）

三、GC调优策略

1. 吞吐量优先模式

   • 目标：最大化应用运行时间占比

   • 参数示例：-XX:+UseParallelGC -XX:GCTimeRatio =99

2. 低延迟模式

   • 目标：单次GC暂停<100ms

   • 参数示例：-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis =200

3. 大内存优化

   • 策略：启用ZGC/Shenandoah（亚毫秒级暂停）

   • 参数：-XX:+UseZGC -Xmx16g

四、综合总结

Java内存模型通过happens-before规则与内存屏障技术，在编译器优化与硬件执行之间建立安全桥梁，为开发者提供可预测的并发编程模型。配合分代垃圾回收机制的多算法协同，实现从毫秒级到TB级内存的高效管理。实际工程中需根据应用特征（吞吐量/延迟敏感度/堆大小）选择GC策略，通过JVM参数调优平衡性能指标。