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JVM 内存结构与对象创建
1. 本节定位
「JVM 把内存分成几块」是面试第一题，但背概念不如看真实日志。
★ 本节用 -Xlog:gc 采集了本项目自己程序的一手日志*：
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Using G1 | Heap Region Size: 4M
Heap Min: 8M / Initial: 508M / Max: 8116M
GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)
Eden regions: 12->0(58) Survivor: 0->1(2) Old: 1->1 Humongous: 0->02. 学习目标
- 能画出运行时数据区（堆/栈/元空间/PC）★★★；
- 能从 G1 日志读出 Region 模型与分代行为 ★★★；
- 知道 Humongous 大对象的判定与风险 ★★★。
3. 前置知识检查
- 知道线程与栈的关系吗？（《并发基础：线程、锁与内存模型》）✓
4. 为什么需要这个知识
★ 线上 80% 的 JVM 故障只有三种 ✗：OOM（堆/元空间）、GC 停顿过长、栈溢出 —— 看懂内存结构与 GC 日志是处理它们的前提 ✓✓
5. 核心概念
5.1 运行时数据区 ★★★
| 区域 | 线程 | 放什么 | OOM/错误 |
|---|---|---|---|
| 堆 | 共享 ★★★ | 对象实例 | Java heap space ✗ |
| 虚拟机栈 | 私有 ★★ | 栈帧 | StackOverflowError ✗ |
| 本地方法栈 | 私有 | native 方法的栈帧 | StackOverflowError ✗ |
| 元空间 | 共享 ★★ | 类元数据 | Metaspace ✗ |
| 程序计数器 | 私有 | 字节码行号 | 唯一不会 OOM ✓ |
★ 一条对应：栈溢出查递归；堆 OOM 查大对象/泄漏；元空间 OOM 查动态类生成 ✓✓✓
5.2 G1 的 Region 模型（实测）★★★
G1 把堆切成 1~32M 的 Region（本机 4M）——Eden/Survivor/Old 不再物理连续，都是 Region 的逻辑角色 ✓✓✓
实测 GC(0)：Eden 12 个 Region 清空（12→0），存活对象复制（Evacuate）进 Survivor（0→1）✓✓
| 区域 | 放什么 | 回收 |
|---|---|---|
| Eden ★★★ | 新对象 | Minor GC（频繁、快 ✓） |
| Survivor ★★ | Minor GC 存活者 | 晋升 Old 前的缓冲（年龄阈值 15） |
| Old ★★ | 长期存活对象 | Mixed/Full GC（慢 ✗） |
| Humongous ★★★ | ≥ Region 一半的大对象 | 直接 Old，碎片风险 ✗✗ |
★★★ Humongous 是 G1 经典事故源 ✗✗：本机 Region 4M → 对象 ≥ 2M 即 Humongous ✗ —— 读一个 10MB 文件 = 3 个 Humongous ✗✗ —— 大对象会触发 Full GC 甚至 OOM ✗✗✓ 对策：分块处理、调大 Region（-XX:G1HeapRegionSize）✓✓
5.3 对象创建与分配 ★★
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类加载检查 → 分配内存（TLAB 上，无锁 ✓）→ 零初始化 → 设对象头 → 执行 <init>TLAB：每线程在 Eden 私有的一小块，分配只是指针移动，纳秒级 ✓✓✓ —— 「Java 创建对象很贵」这个印象过时了 ✓✓
5.4 堆参数（实测）★★★
Heap Min 8M / Initial 508M / Max 8116M ✓ —— 生产建议 Initial = Max（-Xms = -Xmx，避免运行时扩容抖动）✓✓✓； Region Size 随堆自动算（8G 堆 → 4M ✓）
6. 递进示例
6.1 看自己程序的堆
powershell
java "-Xlog:gc*" -cp java-deep/target/classes cn.kb.learn.deep.jvm.GcLesson6.2 调大 Region 防 Humongous
powershell
java "-XX:G1HeapRegionSize=16m" ...6.3 反例：一次性读整个文件
java
byte[] all = Files.readAllBytes(Path.of("big.csv")); // ✗✗ 10MB = Humongous7. 完整可运行代码与实测
代码：labs/java-deep/src/main/java/cn/kb/learn/deep/jvm/GcLesson.java（100 轮 × 1MB 短命对象）
实测输出（关键部分）：
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[0.091s] Using G1
[0.103s] Heap Region Size: 4M
[0.104s] Heap Min Capacity: 8M | Initial Capacity: 508M | Max Capacity: 8116M
[0.206s] GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)
[0.212s] GC(0) Eden regions: 12->0(58) | Survivor: 0->1(2) | Old: 1->1★ 100 轮 × 1MB 短命对象 = 一次 Young GC 完成 ✓ —— 这就是「分代假说：绝大多数对象朝生夕死」的直接证据 ✓✓✓
8. Debug 观察点
- 循环轮数 ×10：观察 GC 次数与 Pause ✓✓；
- 分配 10MB byte[]：观察 Humongous 出现 ✗✓✓；
- -Xmx512m 再跑：观察堆缩容后 GC 更频繁 ✓；
- 无限递归：观察 StackOverflowError ✓。
9. 常见错误
| # | 错误 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 以为创建对象很贵 ✗ | TLAB 纳秒级 ✓✓ |
| 2 | 一次性读大文件 ✗✗ | Humongous ✗✗ |
| 3 | -Xms ≠ -Xmx ✗ | 扩容抖动 ✓ |
| 4 | 元空间 OOM 去查堆 ✗✗ | 查动态类生成 ✓ |
| 5 | StackOverflow 查堆 ✗✗ | 查递归与栈深 ✓✓ |
10. 动手实验
- 跑 GcLesson 并读日志 ✓✓；
- 分配 10MB 对象触发 Humongous ✗✓✓；
- -Xmx256m -Xlog:gc*：观察 Full GC 与 OOM ✗✓✓；
- jcmd GC.heap_info 看运行时堆 ✓。
验收方式：能对着一份 GC 日志说出各代行为与是否健康。
扩展任务：制造一次元空间 OOM（CGlib 生成大量类），记录日志并写分析 ✓✓
11. 练习题
- 堆/栈/元空间各自放什么？各抛什么异常？
- G1 的 Humongous 判定标准？本机 Region 4M 时多大算？
- 为什么「Java 对象分配很贵」是过时印象？
- 生产环境 -Xms 应该与 -Xmx 相等吗？为什么？
- GC(0) Eden 12->0(58) 的三个数字分别是什么？
参考答案（要点）
- 堆放对象（OOM: heap space）；栈放栈帧（StackOverflowError）；元空间放类元数据（Metaspace OOM） ✓✓★
- 对象 ≥ Region 一半；本机 ≥ 2MB ✓✓★
- TLAB + bump-the-pointer，纳秒级 ✓✓★
- 建议相等：避免运行时扩容/收缩的停顿与抖动 ✓✓★
- GC 前 12 个 Eden Region → GC 后 0 个（下一轮上限 58 个）✓✓★
12. 掌握标准
- [ ] 能画出运行时数据区并对应 OOM 类型 ★★★；
- [ ] 能从 G1 日志读出 Region 模型与分代行为 ★★★；
- [ ] 知道 Humongous 判定与风险 ★★★；
- [ ] 知道 TLAB 与对象创建成本 ★★★；
- [ ] 知道生产 -Xms = -Xmx 的理由 ★★★。
13. 扩展资源
- 《深入理解 Java 虚拟机（第 3 版）》周志明：第 2~3 章是本节与 《类加载机制》~010 的权威展开
- Java 虚拟机规范（Java SE 21）：运行时数据区与对象创建的官方定义
- OpenJDK Wiki：G1 GC：G1 的 Region 设计与 Humongous 判定细节
14. 下一步学习
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