JVM内存模型与垃圾回收

Java开发有个很基础的问题，虽然我们平时接触的不多，但是了解它却成为Java开发的必备基础——这就是JVM。在C++中我们需要手动申请内存然后释放内存，否则就会出现对象已经不再使用内存却仍被占用的情况。在Java中JVM内置了垃圾回收的机制，帮助开发者承担对象的创建和释放的工作，极大的减轻了开发的负担。那是不是我们就不需要了解JVM了，显然在做一些优化或者深入研究应用性能的时候，JVM还是起了很关键的作用的。因此本篇就总结性的描述下JVM的内存模型与垃圾回收相关的知识。

本文的主要内容如下：

• 内存模型
• 垃圾回收
• 参考文章

内存模型

各部分的功能

这几个存储区最主要的就是栈区和堆区，那么什么是栈什么是堆呢？说的简单点，栈里面存放的是基本的数据类型和引用，而堆里面则是存放各种对象实例的。

堆与栈分开设计是为什么呢？

• 栈存储了处理逻辑、堆存储了具体的数据，这样隔离设计更为清晰
• 堆与栈分离，使得堆可以被多个栈共享。
• 栈保存了上下文的信息，因此只能向上增长；而堆是动态分配

栈的大小可以通过-XSs设置，如果不足的话，会引起java.lang.*Error的异常

栈区

线程私有，生命周期与线程相同。每个方法执行的时候都会创建一个栈帧（stack frame）用于存放 局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口。

堆

存放对象实例，所有的对象的内存都在这里分配。垃圾回收主要就是作用于这里的。

• 堆得内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；最大的内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4。
• 默认空余的堆内存小于40%时，就会增大，直到-Xmx设置的内存。具体的比例可以由-XX:MinHeapFreeRatio指定
• 空余的内存大于70%时，就会减少内存，直到-Xms设置的大小。具体由-XX:MaxHeapFreeRatio指定。

因此一般都建议把这两个参数设置成一样大，可以避免JVM在不断调整大小。

程序计数器

这里记录了线程执行的字节码的行号，在分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖这个计数器。

方法区

类型信息、字段信息、方法信息、其他信息

总结

名称	特征	作用	配置	异常
栈区	线程私有，使用一段连续的内存空间	存放局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口	-XSs	*Error OutOfMemoryError
堆	线程共享，生命周期与虚拟机相同	保存对象实例	-Xms -Xmx -Xmn	OutOfMemoryError
程序计数器	线程私有、占用内存小	字节码行号	无	无
方法区	线程共享	存储类加载信息、常量、静态变量等	-XX:PermSize -XX:MaxPermSize	OutOfMemoryError

垃圾回收

如何定义垃圾

有两种方式，一种是引用计数（但是无法解决循环引用的问题）；另一种就是可达性分析。

判断对象可以回收的情况：

• 显示的把某个引用置位NULL或者指向别的对象
• 局部引用指向的对象
• 弱引用关联的对象

垃圾回收的方法

Mark-Sweep标记-清除算法

这种方法优点就是减少停顿时间，但是缺点是会造成内存碎片。

Copying复制算法

这种方法不涉及到对象的删除，只是把可用的对象从一个地方拷贝到另一个地方，因此适合大量对象回收的场景，比如新生代的回收。

Mark-Compact标记-整理算法

这种方法可以解决内存碎片问题，但是会增加停顿时间。

Generational Collection 分代收集

最后的这种方法是前面几种的合体，即目前JVM主要采取的一种方法，思想就是把JVM分成不同的区域。每种区域使用不同的垃圾回收方法。

上面可以看到堆分成三个区域：

• 新生代(Young Generation)：用于存放新创建的对象，采用复制回收方法，如果在s0和s1之间复制一定次数后，转移到年老代中。这里的垃圾回收叫做minor GC;
• 年老代(Old Generation)：这些对象垃圾回收的频率较低，采用的标记整理方法，这里的垃圾回收叫做 major GC。
• 永久代(Permanent Generation)：存放Java本身的一些数据，当类不再使用时，也会被回收。

这里可以详细的说一下新生代复制回收的算法流程：

在新生代中，分为三个区：Eden, from survivor, to survior。

• 当触发minor GC时，会先把Eden中存活的对象复制到to Survivor中；
• 然后再看from survivor，如果次数达到年老代的标准，就复制到年老代中；如果没有达到则复制到to survivor中，如果to survivor满了，则复制到年老代中。
• 然后调换from survivor 和 to survivor的名字，保证每次to survivor都是空的等待对象复制到那里的。

垃圾回收器

串行收集器 Serial

这种收集器就是以单线程的方式收集，垃圾回收的时候其他线程也不能工作。

并行收集器 Parallel

以多线程的方式进行收集

并发标记清除收集器 Concurrent Mark Sweep Collector, CMS

大致的流程为：初始标记--并发标记--重新标记--并发清除

G1收集器 Garbage First Collector

大致的流程为：初始标记--并发标记--最终标记--筛选回收

 

JVM里的GC(Garbage Collection)的算法有很多种，如标记清除收集器，压缩收集器，分代收集器等等,详见HotSpot VM GC 的种类

       现在比较常用的是分代收集（generational collection,也是SUN VM使用的,J2SE1.2之后引入），即将内存分为几个区域，将不同生命周期的对象放在不同区域里:young generation，tenured generation和permanet generation。绝大部分的objec被分配在young generation(生命周期短)，并且大部分的object在这里die。当young generation满了之后，将引发minor collection(YGC)。在minor collection后存活的object会被移动到tenured generation(生命周期比较长)。最后，tenured generation满之后触发major collection。major collection（Full gc）会触发整个heap的回收，包括回收young generation。permanet generation区域比较稳定，主要存放classloader信息。

       young generation有eden、2个survivor 区域组成。其中一个survivor区域一直是空的，是eden区域和另一个survivor区域在下一次copy collection后活着的objecy的目的地。object在survivo区域被复制直到转移到tenured区。

       我们要尽量减少 Full gc 的次数(tenured generation 一般比较大,收集的时间较长,频繁的Full gc会导致应用的性能收到严重的影响)。

堆内存GC
       JVM(采用分代回收的策略)，用较高的频率对年轻的对象(young generation)进行YGC，而对老对象(tenured generation)较少(tenured generation 满了后才进行)进行Full GC。这样就不需要每次GC都将内存中所有对象都检查一遍。

非堆内存不GC

      GC不会在主程序运行期对PermGen Space进行清理，所以如果你的应用中有很多CLASS(特别是动态生成类，当然permgen space存放的内容不仅限于类)的话,就很可能出现PermGen Space错误。

内存申请、对象衰老过程
一、内存申请过程

1. JVM会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域；
2. 当Eden空间足够时，内存申请结束。否则到下一步；
3. JVM试图释放在Eden中所有不活跃的对象（minor collection），释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区；
4. Survivor区被用来作为Eden及old的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，否则会被保留在Survivor区；
5. 当old区空间不够时，JVM会在old区进行major collection；
6. 完全垃圾收集后，若Survivor及old区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象，导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域，则出现"Out of memory错误"；

二、对象衰老过程

1. 新创建的对象的内存都分配自eden。Minor collection的过程就是将eden和在用survivor space中的活对象copy到空闲survivor space中。对象在young generation里经历了一定次数(可以通过参数配置)的minor collection后，就会被移到old generation中，称为tenuring。
2. GC触发条件

   GC类型	触发条件	触发时发生了什么	注意	查看方式
   YGC	eden空间不足	清空Eden+from survivor中所有no ref的对象占用的内存 将eden+from sur中所有存活的对象copy到to sur中 一些对象将晋升到old中:     to sur放不下的     存活次数超过turning threshold中的 重新计算tenuring threshold(serial parallel GC会触发此项) 重新调整Eden 和from的大小(parallel GC会触发此项)	全过程暂停应用 是否为多线程处理由具体的GC决定	jstat –gcutil  gc log
   FGC	old空间不足 perm空间不足 显示调用System.GC, RMI等的定时触发 YGC时的悲观策略 dump live的内存信息时(jmap –dump:live)	清空heap中no ref的对象 permgen中已经被卸载的classloader中加载的class信息 如配置了CollectGenOFirst,则先触发YGC(针对serial GC) 如配置了ScavengeBeforeFullGC,则先触发YGC(针对serial GC)	全过程暂停应用 是否为多线程处理由具体的GC决定 是否压缩需要看配置的具体GC	jstat –gcutil  gc log

   permanent generation空间不足会引发Full GC,仍然不够会引发PermGen Space错误。

参考 https://www.cnblogs.com/xing901022/p/7725961.html

        http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/04/2037056.html