JVM内存模型与GC机制

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介绍了下Java运行时内存划分以及GC算法、垃圾回收器。

一、Java内存区域

1.程序计数器：程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器，指向下一个将要执行的指令代码，由执行引擎来读取下一条指令。更确切的说，一个线程的执行，是通过字节码解释器改变当前线程的计数器的值，来获取下一条需要执行的字节码指令，从而确保线程的正确执行。每个线程都有一个独立的程序计数器，是线程私有的内存

2.虚拟机栈：描述java方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame） 用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成 的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

3.本地方法栈：本地方法栈则为 JVM 使用到的 Native 方法服务。Native 方法不是以 Java 语言实现的，而是以本地语言实现的（比如 C 或 C++）。个人理解Native 方法是与操作系统直接交互的。比如通知垃圾收集器进行垃圾回收的代码 System.gc()，就是使用 native 修饰的

4.堆：堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块存储区域。堆内存被所有线程共享。主要存放使用new关键字创建的对象。所有对象实例以及数组都要在堆上分配。垃圾收集器就是根据GC算法，收集堆上对象所占用的内存空间（收集的是对象占用的空间而不是对象本身）

• Java堆分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）；年轻代又分为伊甸园（Eden）和幸存区（Survivor区）；幸存区又分为From Survivor空间和 To Survivor空间。

• 年轻代存储“新生对象”，我们新创建的对象存储在年轻代中。当年轻内存占满后，会触发Minor GC，清理年轻代内存空间。

• 老年代存储长期存活的对象和大对象。年轻代中存储的对象，经过多次GC后仍然存活的对象会移动到老年代中进行存储。老年代空间占满后，会触发Full GC。

  注：Full GC是清理整个堆空间，包括年轻代和老年代。如果Full GC之后，堆中仍然无法存储对象，就会抛出OutOfMemoryError异常。

5.方法区：方法区同 Java 堆一样是被所有线程共享的区间，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。更具体的说，静态变量+常量+类信息（版本、方法、字段等）+运行时常量池存在方法区中。常量池是方法区的一部分，常量池中存储编译器生成的各种字面量和符号引用。字面量就是Java中常量的意思。比如文本字符串，final修饰的常量等。方法引用则包括类和接口的全限定名，方法名和描述符，字段名和描述符等。

• 注：JDK1.8 使用元空间 MetaSpace 替代方法区，元空间并不在 JVM中，而是使用本地内存。元空间两个参数：
  MetaSpaceSize：初始化元空间大小，控制发生GC阈值
  MaxMetaspaceSize ： 限制元空间大小上限，防止异常占用过多物理内存

二、GC算法

2.1 确定垃圾算法

2.1.1 引用计数法

在 Java 中，引用和对象是有关联的。如果要操作对象则必须用引用进行。因此，很显然一个简单 的办法是通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单说，给每个对象一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就会加1；当引用失效时，计数器的值就会减1；任何时刻计数器的值为0的对象就是不可能再被使用的。

存在循环引用问题。

2.1.2 可达性分析

通过一系列称为“GC Roots”的对象为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索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（用图论的话来说，就是GC Roots到这个对象不可达）时，则说明此对象是不可用的。

要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。

• 那么那些对象可以作为GC Roots呢？以Java为例，有以下几种：

  1、栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

  2、方法区中的静态成员。

  3、方法区中的常量引用的对象（全局变量）。

  4、本地方法栈中JNI（一般说的Native方法）引用的对象。

  注：第一和第四种都是指的方法的本地变量表，第二种表达的意思比较清晰，第三种主要指的是声明为final的常量值。

2.2 垃圾收集算法

2.2.1 标记清除算法（mark-sweep）

最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段，标注和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象，清 除阶段回收被标记的对象所占用的空间
缺陷：大的问题是内存碎片化严重，后续可能发生大对象不能找到可利用空间的问题

2.2.2 复制算法（coping）

为了解决Mark-Sweep算法内存碎片化的缺陷而被提出的算法。按内存容量将内存划分为等大小 的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用的内存清掉。
缺陷：这种算法虽然实现简单，内存效率高，不易产生碎片，但是大的问题是可用内存被压缩到了原本的一半。且存活对象增多的话，Copying算法的效率会大大降低

2.2.3 标记整理算法（mark-compact）

结合了以上两个算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和Mark-Sweep算法相同，标记后不是清理对象，而是将存活对象移向内存的一端，然后清除端边界外的对象。

2.2.4 分代收集算法

分代收集法是目前大部分JVM所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存 划分为不同的域，一般情况下将GC堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young Generation)。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收，新生代的特点是每次垃 圾回收时都有大量垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域选择不同的算法

1.新生代

是用来存放新生的对象。一般占据堆的1/3空间。由于频繁创建对象，所以新生代会频繁触发 MinorGC进行垃圾回收。新生代又分为 Eden区、ServivorFrom、ServivorTo三个区。

新生代-复制算法：目前大部分JVM的GC 对于新生代都采取复制算法，因为新生代中每次垃圾回收都要 回收大部分对象，即要复制的操作比较少，但通常并不是按照1：1来划分新生代。一般将新生代 划分为一块较大的Eden空间和两个较小的Survivor空间(From Space, To Space)，每次使用 Eden空间和其中的Survivor From空间，当进行回收时，将该两块空间中还存活的对象复制到Survivor To空间中

MinorGC的过程
采用复制算法

当对象在Survivor区躲过一次GC 后，其年龄就会+1。默认情况下年龄到达15 的对象会被 移到老生代中

2.老年代

老年代的对象比较稳定，所以 MajorGC 不会频繁执行。在进行 MajorGC 前一般都先进行 了一次 MinorGC，使得有新生代的对象晋身入老年代，导致空间不够用时才触发。当无法找到足 够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次MajorGC进行垃圾回收腾出空间。

老年代-标记整理算法：因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保, 就必须采用“标记—清理”或“标 记—整理”算法来进行回收, 不必进行内存复制, 且直接腾出空闲内存。

MajorGC 采用标记清除算法：首先扫描一次所有老年代，标记出存活的对象，然后回收没 有标记的对象。MajorGC的耗时比较长，因为要扫描再回收。MajorGC 会产生内存碎片，为了减 少内存损耗，我们一般需要进行合并或者标记出来方便下次直接分配。当老年代也满了装不下的 时候，就会抛出OOM（Out of Memory）异常。

2.2.5 分区收集算法

分区算法则将整个堆空间划分为连续的不同小区间, 每个小区间独立使用, 独立回收. 这样做的 好处是可以控制一次回收多少个小区间 , 根据目标停顿时间, 每次合理地回收若干个小区间(而不是 整个堆), 从而减少一次GC 所产生的停顿。

三、垃圾回收器

Java 堆内存被划分为新生代和年老代两部分，新生代主要使用复制和标记-清除垃圾回收算法； 年老代主要使用标记-整理垃圾回收算法，因此 java 虚拟中针对新生代和年老代分别提供了多种不 同的垃圾收集器，JDK1.6中Sun HotSpot虚拟机的垃圾收集器如下

3.1 新生代垃圾收集器

3.1.1 Serial

基本垃圾收集器，使用复制算法。Serial 是一个单线程的收集器，它不但只会使用一个 CPU 或一条线程去完成垃圾收集工 作，并且在进行垃圾收集的同时，必须暂停其他所有的工作线程，直到垃圾收集结束。 Serial 垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程，但是它简单高效，对于限 定单个 CPU 环境来说，没有线程交互的开销，可以获得高的单线程垃圾收集效率，因此 Serial 垃圾收集器依然是java虚拟机运行在Client模式下默认的新生代垃圾收集器

3.1.2 ParNew

ParNew垃圾收集器其实是Serial收集器的多线程版本，也使用复制算法，除了使用多线程进行垃 圾收集之外，其余的行为和Serial收集器完全一样，ParNew垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也 要暂停所有其他的工作线程。
ParNew 收集器默认开启和 CPU 数目相同的线程数，可以通过-XX:ParallelGCThreads 参数来限 制垃圾收集器的线程数。【Parallel：平行的】 ParNew虽然是除了多线程外和Serial收集器几乎完全一样，但是ParNew垃圾收集器是很多java 虚拟机运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器

3.1.3 Parallel Scavenge

Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器，同样使用复制算法，也是一个多线程的垃 圾收集器，它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量（Thoughput，CPU 用于运行用户代码 的时间/CPU 总消耗时间，即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)）， 高吞吐量可以高效率地利用 CPU 时间，尽快地完成程序的运算任务，主要适用于在后台运算而 不需要太多交互的任务。

自适应调节策略也是 ParallelScavenge 收集器与 ParNew 收集器的一个 重要区别

GC自适应调节策略：Parallel Scavenge收集器可设置-XX:+UseAdptiveSizePolicy参数。当开关打开时不需要手动指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRation）、晋升老年代的对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等，虚拟机会根据系统的运行状况收集性能监控信息，动态设置这些参数以提供最优的停顿时间和最高的吞吐量，这种调节方式称为GC的自适应调节策略。

Parallel Scavenge收集器使用两个参数控制吞吐量：

• XX:MaxGCPauseMillis 控制最大的垃圾收集停顿时间
• XX:GCRatio 直接设置吞吐量的大小。

3.2 老年代垃圾收集器

3.2.1 Serial Old

Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本，它同样是个单线程的收集器，使用标记-整理算法， 这个收集器也主要是运行在Client默认的java虚拟机默认的年老代垃圾收集器。
在Server模式下，主要有两个用途：
（1）在JDK1.5之前版本中与新生代的Parallel Scavenge收集器搭配使用。
（2）作为年老代中使用CMS收集器的后备垃圾收集方案。 新生代Serial与年老代Serial Old搭配垃圾收集过程图：

（3）新生代Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器工作原理类似，都是多线程的收集器，都使 用的是复制算法，在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。新生代Parallel Scavenge/ParNew与年老代Serial Old搭配垃圾收集过程图：

3.2.2 Parallel Old

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge的年老代版本，使用多线程的标记-整理算法，在JDK1.6 才开始提供。 在 JDK1.6 之前，新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器，只 能保证新生代的吞吐量优先，无法保证整体的吞吐量，Parallel Old 正是为了在年老代同样提供吞 吐量优先的垃圾收集器，如果系统对吞吐量要求比较高，可以优先考虑新生代 Parallel Scavenge 和年老代Parallel Old收集器的搭配策略。 新生代Parallel Scavenge和年老代Parallel Old收集器搭配运行过程图：

3.2.3 (CMS)

Concurrent mark sweep收集器是一种年老代垃圾收集器，其主要目标是获取短垃圾 回收停顿时间，和其他年老代使用标记-整理算法不同，它使用多线程的标记-清除算法。 短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验。 CMS工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂，整个过程分为以下4个阶段：
初始标记：只是标记一下GC Roots能直接关联的对象，速度很快，仍然需要暂停所有的工作线程。
并发标记：进行GC Roots跟踪的过程，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。
重新标记：为了修正在并发标记期间，因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记 记录，仍然需要暂停所有的工作线程。
并发清除：清除GC Roots不可达对象，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。由于耗时长的并 发标记和并发清除过程中，垃圾收集线程可以和用户现在一起并发工作，所以总体上来看 CMS收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行。

3.2.4 G1收集器

G1收集器：Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理论发展的前沿成果，相比与CMS 收集器，G1 收 集器两个突出的改进是：
1.基于标记-整理算法，不产生内存碎片。
2.可以非常精确控制停顿时间，在不牺牲吞吐量前提下，实现低停顿垃圾回收。 G1 收集器避免全区域垃圾收集，它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域，并且跟踪这些区域 的垃圾收集进度，同时在后台维护一个优先级列表，每次根据所允许的收集时间，优先回收垃圾 多的区域。区域划分和优先级区域回收机制，确保 G1 收集器可以在有限时间获得高的垃圾收 集效率。