JVM 内存模型与垃圾回收
JVM
1. JVM 内存模型
JVM内存模型
1.1 程序计数器
- 概述： 该区域分配了一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
- 作用： 通过改变计数器的值来指定下一条需要执行的字节码指令。
- 特点： 1.线程私有 2. 唯一无内存溢出的区域
1.2 虚拟机栈 (JVM Stack)
- 概述： Java 方法执行的内存模型，每一个方法从调用直至执行完成的过程，对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。
- 作用： 创建一个栈帧用于存储 局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息； -Xss 调整栈大小
- 特点： 1.线程私有 2. 生命周期与线程执行结束一致
局部变量表
- 作用： 存放编译期可知的各种基本数据类型(8 种)、对象引用、returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
- 占用空间：64 位bit长度的long 和double 类型占用两个局部变量空间(Slot),其余类型只占用一个。
- 分配时机：在编译期间完成分配，当进入一个方法时，该方法需要在帧中分配多大的局部变量空间时完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量空间分配的大小。
虚拟机栈异常
- SOF 栈溢出：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时抛出该异常。
- OOM 内存溢出：虚拟机允许栈深度动态扩展，但是扩展时无法申请到足够的内存。
1.3 本地方法栈
- 概述： 与虚拟机栈类似，是为虚拟机使用到的Native方法服务的内存区域。
- 区别：
- 虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务；
- 本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。
- 异常： 与虚拟机栈一致。
1.4 Java堆（Java Heap）
- 创建时间：JVM启动时创建该区域
- 占用空间：该区域是JVM管理内存最大一块
- 作用： 存放对象实例和数组
- 特点：
- 线程间共享
- GC主要区域
- 内存空间可扩展，通过设置 xms (最小值) xmx(最大值)，通常设置成一样大，避免运行时频繁调整大小
1.5 方法区 （Method Area）
-
描述：虚拟机规范将它描述为堆的一个逻辑部分，但是它有个别名叫 Non-Heap，目的是与Java堆区分开来。
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作用： 存放虚拟机加载的 类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码等数据。
-
特点：
- 线程间共享
- 可通过 -XX：MaxPermSize 调整其大小
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异常：方法区无法满足内存分配需求时抛出 OOM异常
1.6 运行时常量池
-
描述：方法区的一部分，Class文件中除了有类的(版本、字段、方法、接口)等描述信息外，还有一项信息是常量池。
-
作用： 存放编译器生成的各种字面量和符号引用。
-
动态性：
- Java语言并不要求常量池只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中的常量池内容后才能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中。这种特性用的比较广泛的便是String 类的intern()方法。
-
异常：方法区无法满足内存分配需求时抛出 OOM异常(与方法区一致)。
1.7 直接内存
-
描述：1.非虚拟机运行时数据区一部分，也不是Java虚拟机规范定义的内存区域。2. 频繁使用，可能导致OOM。
-
作用：
- 1.4开始引入NIO可以使用 Native函数库直接分配堆外内存；通过存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为直接内存的引用，这样做的好处是可以显著提高性能，避免在java堆和 Native堆之间来回复制数据。
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异常：收到物理内存限制，导致扩展时申请不到新的内存空间出现OOM
2. 垃圾回收 GC
2.1 回收的对象？ 什么时候回收 ?
在垃圾回收之前，我们必须确定的一件事就是对象是否存活？这就牵扯到了判断对象是否存活的算法了。
引用计数算法：
给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器+1，当引用失效，计数器-1.任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
优点：实现简单，判定效率高效，被actionscript3和python中广泛应用。
缺点：无法解决对象之间的相互引用问题。java没有采纳
可达性分析算法：
通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GCRoots没有任何引用链相连的时候，则证明此对象是不可用的。
比如如下，右侧的对象是到GCRoot时不可达的，可以判定为可回收对象。
可达性分析算法
在java中，可以作为GCRoot的对象包括以下几种：
虚拟机栈中引用的对象。
方法区中静态属性引用的对象。
方法区中常量引用的对象。
JNI(Native)方法中引用的对象。
例子：
类中的静态变量
public AClass{
public static Something;
public static final Apple;
''''''
}
Java方法的参数和方法中的局部变量，可以作为root.
public Aclass{
public void doSomething(Object A){
ObjectB b = new ObjectB;
}
}
基于以上，我们可以知道，当当前对象到GCRoot中不可达时候，即会满足被垃圾回收的可能。
那么是不是这些对象就非死不可，也不一定，此时只能宣判它们存在于一种“缓刑”的阶段，要真正的宣告一个对象死亡。至少要经历两次标记：
第一次：对象可达性分析之后，发现没有与GCRoots相连接，此时会被第一次标记并筛选。
第二次：对象没有覆盖finalize（）方法，或者finalize（）方法已经被虚拟机调用过，此时会被认定为没必要执行。
2.2 如何回收？ How?
上述的两点讲解之后，我们大概明白了，哪些对象会被回收，以及回收的依据是什么，但回收的这个工作实现起来并不简单，首先它需要扫描所有的对象，鉴别谁能够被回收，其次在扫描期间需要 ”stop the world“ 对象能被冻结，不然你刚扫描，他的引用信息有变化，你就等于白做了。
2.2.1 分代回收
我们从一个object1来说明其在分代垃圾回收算法中的回收轨迹。
1、object1新建，出生于新生代的Eden区域。
2、minor GC，object1 还存活，移动到Fromsuvivor空间，此时还在新生代。
3、minor GC，object1 仍然存活，此时会通过复制算法，将object1移动到ToSuv区域，此时object1的年龄age+1。
4、minor GC，object1 仍然存活，此时survivor中和object1同龄的对象并没有达到survivor的一半，所以此时通过复制算法，将fromSuv和Tosuv 区域进行互换，存活的对象被移动到了Tosuv。
5、minor GC，object1 仍然存活，此时survivor中和object1同龄的对象已经达到survivor的一半以上（toSuv的区域已经满了），object1被移动到了老年代区域。
6、object1存活一段时间后，发现此时object1不可达GcRoots，而且此时老年代空间比率已经超过了阈值,触发了majorGC（也可以认为是fullGC，但具体需要垃圾收集器来联系），此时object1被回收了。fullGC会触发 stop the world。
在以上的新生代中，我们有提到对象的age，对象存活于survivor状态下，不会立即晋升为老生代对象，以避免给老生代造成过大的影响，它们必须要满足以下条件才可以晋升：
1、minor gc 之后，存活于survivor 区域的对象的age会+1，当超过（默认）15的时候，转移到老年代。
2、动态对象，如果survivor空间中相同年龄所有的对象大小的综合和大于survivor空间的一半，年级大于或等于该年级的对象就可以直接进入老年代。
以上采用分代垃圾收集的思想，对一个对象从存活到死亡所经历的历程。期间，在新生代的时刻，会用到复制算法，在老年代时，有可能会用到标记-清楚算法（mark-sweep）算法或者标记-整理算法，这些都是垃圾回收算法基于不同区域的实现，我们看下这几种回收算法的实现原理。
2.2.2 垃圾回收算法
标记清除法（Mark-Sweep）
标记清除法是垃圾回收算法的思想基础。标记清除算法将垃圾分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。
标记阶段，通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象，未标记过的对象就是未被引用的垃圾对象。
清除阶段，清除所有未被标记的对象。
标记-清除
复制算法（Copying）
复制算法是，将原有的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在适用的内存中存活对象复制到未使用的内存块，然后清除使用的内存块中所有的对象。
复制算法
IBM公司的专门研究表明，新生代中的对象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1 : 1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间(比例8)和两块较小的Survivor空间(比例1)，每次使用Eden和其中一块Survivore。
标记整理算法（Mark-Compact）
标记-整理
标记压缩算法是一种老年代的回收算法。
标记阶段和标记清除算法一致，对可达对象做一次标记。
清理阶段，为了避免内存碎片产生，将所有的存活对象压缩到内存的一端。
2.2.3 垃圾收集器
垃圾收集器是内存回收的具体实现，不同的厂商提供的垃圾收集器有很大的差别，一般的垃圾收集器都会作用于不同的分代，需要搭配使用。以下是各种垃圾收集器的组合方式：
垃圾回收器搭配
各种组合的优缺点：
| 新生代GC策略 | 老年代GC策略 | 说明 | |
|---|---|---|---|
| 组合1 | Serial | Serial Old | Serial和Serial Old都是单线程进行GC，特点就是GC时暂停所有应用线程。 |
| 组合2 | Serial | CMS+Serial Old | CMS（Concurrent Mark Sweep）是并发GC，实现GC线程和应用线程并发工作，不需要暂停所有应用线程。另外，当CMS进行GC失败时，会自动使用Serial Old策略进行GC。 |
| 组合3 | ParNew | CMS | 使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。ParNew是Serial的并行版本，可以指定GC线程数，默认GC线程数为CPU的数量。可以使用-XX:ParallelGCThreads选项指定GC的线程数。如果指定了选项-XX:+UseConcMarkSweepGC选项，则新生代默认使用ParNew GC策略。 |
| 组合4 | ParNew | Serial Old | 使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。新生代使用ParNew GC策略，年老代默认使用Serial Old GC策略。 |
| 组合5 | Parallel Scavenge | Serial Old | Parallel Scavenge策略主要是关注一个可控的吞吐量：应用程序运行时间 / (应用程序运行时间 + GC时间)，可见这会使得CPU的利用率尽可能的高，适用于后台持久运行的应用程序，而不适用于交互较多的应用程序。 |
| 组合6 | Parallel Scavenge | Parallel Old | 是Serial Old的并行版本 |
| 组合7 | G1GC | G1GC | -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC #开启-XX:MaxGCPauseMillis =50 #暂停时间目标-XX:GCPauseIntervalMillis =200 #暂停间隔目标-XX:+G1YoungGenSize=512m #年轻代大小-XX:SurvivorRatio=6 #幸存区比例 |
插入：各垃圾收集器的详细说明：
https://www.jianshu.com/p/ab49398328e9
https://www.jianshu.com/p/becfa1f2a9e9
2.3 新生代转移到老年代的触发条件？
长期存活的对象
大对象直接进入老年代
minor gc后，survivor仍然放不下
动态年龄判断 ，大于等于某个年龄的对象超过了survivor空间一半 ，大于等于某个年龄的对象直接进入老年代
2.4 什么时候触发Full GC ?
空间分配检查和GC时机
- 没有配置 -XX:+DisableExplicitGC情况下 System.gc()方法的调用
- 老年代空间不足：老年代最大可用空间小于历史平均水平
- 永生代空间不足（JVM规范中运行时数据区域中的方法区，在HotSpot虚拟机中又被习惯称为永生代或者永生区，Permanet Generation中存放的为一些class的信息、常量、静态变量等数据），达到MaxMetaspaceSize阈值；
- GC时出现promotion failed和concurrent mode failure
- 统计得到的Minor GC晋升到旧生代平均大小大于老年代剩余空间
堆中分配很大的对象
promotion failed是在进行Minor GC时，survivor space放不下、对象只能放入旧生代，而此时旧生代也放不下造成的；
concurrent mode failure是在执行CMS GC的过程中同时有对象要放入旧生代，而此时旧生代空间不足造成的。
