走进JVM（二）——内存模型与垃圾回收

走进JVM（二）——内存模型与垃圾回收 1 什么是JVM

Java虚拟机JVM（Java Virtual Machine）是一个虚构的计算机，是通过在实际计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM屏蔽了平台相关信息，可将字节码文件解释为对应平台的机器码，实现Java程序跨平台执行。

2 JVM内存模型

JVM内存模型包括线程共享区【方法区、堆】、线程私有区【程序计数器、虚拟机栈、本地方法区】、直接内存。

2.1 方法区

方法区也称为永久代，用于存储类信息（类名、方法信息、字段信息等）、静态变量、常量以及编译后代码等。该部分信息是所有吸纳成功想的。
方法区中非常重要的一块是运行时常量池，主要用于存储编译时生成在字节码文件中的字面量、符号引用以及运行时生成的常量。

2.2 堆

堆内存用于存储创建的对象和数组，是一块线程共享的内存，也是垃圾回收的最主要区域。根据JVM的分代收集算法，堆内存可分为新生代和老年代。其中新生代分为Eden区、From Servivor区、To Servivor区。

• Eden区：新创建的对象会进入Eden区，当Eden区内存满后会触发MinorGC，对新生代执行一次垃圾回收。
• From Servivor区：上次GC留存的对象，也是下次GC的区域。
• To Servivor区：临时保留minorGC的有效对象。
  

2.3 虚拟机栈

单一线程调用方法是，会在虚拟机栈中烟如一个栈帧，一个栈帧中包含局部变量表、 *** 作数栈、指向运行时常量池的引用、方法返回地址等信息。一个方法的调用到结束伴随着一个栈帧的创建入栈到销毁出栈。为确保一个线程的方法调用按顺序正常执行，需为各线程单独分配一个虚拟机栈。所以虚拟机栈是线程独立的。

2.4 本地方法区

本地方法区与虚拟机栈作用相似，不过本地方法区是为本地方法（Native Method）服务的，也是线程独立的。

2.5 程序计数器

程序计数器是线程执行字节码的行号指示器，用于记录虚拟机字节码指令地址。
同一进程中，多个线程通过时间片轮转获取CPU执行。在同一时间点CPU只会执行单一线程中的指令，因此，为确保各线程正常执行，JVM需为每一个线程分别分配一个程序计数器。也就是说程序计数器是线程私有的。同时，程序计数器也是JVM内存中唯一不会发生内存溢出的区域。

3 GC

程序运行过程中会不断产生对象消耗内存，为避免内存耗尽导致程序崩溃，需要及时将无用对象清除，回收内存。清除无用对象，回收内存的过程就是垃圾回收。

3.1 进行GC的内存区域

在JVM内存区域中，虚拟机栈、程序计数器、本地方法区都是线程独立的，其随单个线程而生灭，故无需进行垃圾回收。 方法区是存储类信息、静态变量和常量等数据的，存在内存耗尽的风险，垃圾收集器会将常量池和类卸载后的类信息进行回收，此处回收释放内存一般较少。堆内存作为对象创建存储的位置，会频繁创建对象，创建的大量对象会快速失去引用成为无用对象，故堆内存是GC执行的主要区域。

3.2 内存垃圾的确定方式

引用计数法：每个对象分配一个引用计数，每被引用一次则该计数+1，每被释放一次饮用则该计数-1，当计数为0时则该对象在GC阶段被判断为垃圾，可被垃圾收集器回收。但这种方式无法解决对象之间相互引用的问题，易造成内存泄漏。
可达性分析：自GC Roots开始向下搜索，搜索路径即为引用链。引用链中的对象为存活对象，其余则为垃圾，可被垃圾收集器回收。

GC Roots是一个对象的集合，主要包括虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象、方法区中常量引用的对象、本地方法区中JNI引用的对象。

3.3 GC算法

常用的GC算法包括：标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法、分代收集算法。

3.3.1 标记-清除算法

标记-清除算法分为标记和清除两个阶段，为每个对象分配一个标记位用于记录对象状态，标记阶段会遍历所有对象，对死亡对象进行标记，清除阶段再遍历一次，将死亡对象直接清除。

3.3.2 复制算法

复制算法是将内存分为a、b两块，每次只使用其中一块，当a内存满后将存活对象复制到b，然后将啊的内存占用清空。
复制算法相较于标记-清除算法，复制过程会将存活对象爱你个进行移动，避免了内存碎片的产生。但是无论如何，总有一块内存是空的，无法充分利用内存空间。

3.3.3 minorGC

minorGC是复制算法的一种。在JVM中，通常堆内存的新生代会采用minorGC算法。新创建的对象存储在新生代的Eden区中，当Eden区满后触发minorGC。其执行分为三步：复制 => 清除 => 互换。
复制：扫描Eden区和From Servivor区中存活的对象，将其年龄+1，若年龄较大（一般为15）则将该对象移至老年代，其余存活对象复制到To Servivor区（复制的过程也是整理的过程，在To Servivor区占用的是一块连续的内存区域）。
清除：将Eden区和From Servivor区清空。
互换：将From Servivor区和To Servivor区内存互换。

3.3.4 标记-整理算法

标记-整理算法同样需要遍历对象对死亡对象进行标记，然后清除死亡对象。与标记-清除算法不同的是，标记-整理算法会将所有存活对象移动至内存的一端，保证存活对象占用的是连续内存，然后将边界外的内存清除。

相较于标记-清除算法多了移动存活对象的过程，也因此解决了内存碎片的问题，同时也无需一片空闲的内存用于复制，有效的利用了内存。

3.3.5 分代收集算法

当前多数虚拟机采用分代收集算法，即对新生代、老年代采用不同的算法。根据区域内对象生命周期特点采用不同的算法。新生代中的对象大多生命周期短，能在GC过程中存活下来的对象较少，因此采用复制算法。老年代中的对象生命周期长，每次GC能回收的对象也较少，也没有额外的空间进行复制，故一般采用标记-整理算法。

4 垃圾收集器 4.1 Serial收集器（新生代）

Serial收集器是单线程的复制算法收集器，作用域新生代中。使用单个线程完成垃圾收集工作，过程中会暂停其他工作线程，直至完成垃圾回收。Client模式下的默认收集器。
-XX:+UseSerialGC 使用Serial+Serial Old模式进行垃圾回收

4.2 ParNew收集器（新生代）

ParNew与Serial相似，也是作用域新生代的复制算法收集器，同样也会暂停其他工作线程。不同的是ParNew采用多线程并行的方式来进行垃圾回收，如此可提高垃圾回收的效率。Server模式下的默认收集器。
-XX:+UserParNewGC 使用ParNew + Serial Old模式进行垃圾回收
-XX:ParallelGCThreads 用于设定执行垃圾回收的线程数，默认为CPU数

4.3 Parallel Scavenge收集器（新生代）

Parallel Scavenge与ParNew一样是作用于新生代的多线程复制算法收集器。不同的是，Parallel关注于CPU吞吐量（用户执行时间/总时间），可通过控制CPU吞吐量搞笑利用CPU。
-XX:+UseParallelGC 使用Parallel Scavenge + Serial Old模式进行回收
-XX:GCTimeRatio 设置用户执行时间占总时间比例，默认99，即1%的时间用于垃圾回收
-XX:MaxGCPauseMills 设计GC的最大停顿时间

4.4 Serial Old收集器（老年代）

Serial Old是单线程的标记-整理算法收集器，作用于老年代。在GC执行时会暂停其他工作线程直至完成垃圾回收。

4.5 Parallel Old收集器（老年代）

Parallel Old是多线程的标记-整理算法收集器，作用于老年代。在GC执行时会暂停其他工作线程直至完成垃圾回收。在多CPU的环境中与Parallel Scavenge搭配使用有很好的效果。
-XX:+UserParallelOldGC 使用Parallel Scavenge + Parallel Old模式进行垃圾回收

4.6 CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器（老年代）

CMS（并发标记清除）是GC线程与工作线程交替并发执行的收集器。在整个GC过程中历经三次标记与一次清除，其中一次标记与清除是与工作线程并发执行的。

4.6.1 初始标记

初始标记阶段会暂停其他工作线程，标记GC Roots直接关联到的老年代对象（包括root直接关联和新生代直接关联到的对象），停顿时间段。

4.6.2 并发标记

并发标记阶段会与其他工作线程并发标记执行，根据初始标记中标记的对象进行向下搜索，将引用链中的所有对象进行标记，如此避免了将整个老年代进行扫描。

4.6.3 重新标记

并发标记阶段由于GC线程与其他工作线程并发执行，在此过程中仍会继续由对象创建或失去引用，因此需要在重新标记阶段对标记结果进一步修正补充。此次标记会暂停其他工作线程。

4.6.4 并发清除

并发清除阶段GC线程会与其他工作线程并发执行，直接清除垃圾对象。

4.6.5 优缺点

优点：在CMS进行垃圾回收的过程中，尽在初始标记、重新标记时进行短暂停顿 ，对系统工作线程正常执行影响小，效率更高。适合高并发场景。
缺点：本质上仍是标记清除算法，标记清除算法不可避免会产生内存碎片。垃圾清除不彻底，每次并发清除阶段都有可能同时产生了新垃圾。