深入理解JAVA虚拟机——总结1：自动内存管理机制

JAVA虚拟机管理的内存

• 数据区

  • 线程共享部分

    • 本地方法区（存放虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译器编译后的代码等）（有时称为永久代，逐渐被取代）
      StackOverflowError： 动态生成大量Class（CGLib，jsp）时，类回收情况
      
      • 运行时常量池（存放编译器生成的各种字面量和符号引用，具备动态性，可以在运行期间将新的常量加入池中，String.intern()方法）
    • 堆（GC堆，存放对象实例，逻辑上连续、物理上不连续，可扩展）（可能划分出线程私有的分配缓冲区TLAB）
      溢出： 对象数量达到最大堆的容量限制（区分内存溢出和内存泄漏：泄漏的对象是指已经死亡但未被回收的对象，溢出的对象是仍然存活的对象）
      
      • 新生代
        
        • Eden（伊甸）空间
        • From Survivor空间
        • To Survivor空间
      • 老年代

  • 线程私有部分

    • 程序计数器（当前线程执行的字节码行号指示器，改变数值读取下一条指令；唯一没有规定OutOfMemoryError的区域）

    • 虚拟机栈（JAVA方法执行的内存模型，每个方法对应一个栈帧，栈帧内保存该方法的局部变量表、操作数帧、动态链接、方法出口）
      StackOverflowError： 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，单线程下栈帧太大或机栈容量太小会引起该异常
      OutOfMemoryError： 扩展栈时无法申请到足够的内存空间，过多线程会引起该异常，减少最大堆或者减少栈容量可以换取更多线程

    • 本地方法栈（Native方法的内存模型，类似虚拟机栈，二者可以合二为一）

• 执行引擎
• 本地库接口
• 直接内存（非虚拟机内存，NIO类使用Native函数库直接分配堆外内存，通过存储在JAVA堆中的DirectByteBuffer对象作为这个对象的引用进行操作，避免在Java堆和Native堆中来回复制数据）

垃圾回收

• 判断对象是否还活着
  
  • 引用计数算法（产生一个引用则计数器加一，计数器为0的对象不再使用；无法解决相互循环引用的问题）
  • 可达性分析算法（主流算法，判断一个对象与GC Root之间是否有引用链相连）
    
    • GC Root： 虚拟机栈中引用的对象，本地方法栈中Native方法引用的对象，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
• 垃圾收集算法
  
  • 标记-清除算法（mark-sweep）：产生大量不连续的内存碎片，无法找到足够的连续内存来存放较大的对象，不得不触发另一次GC。
  • 复制算法（copying）： 将内存分为两部分，A用于分配对象，B闲置，GC时将分配了A中仍然存活的对象复制到B中，新建的对象仍分配在A中
    
    • 分配担保机制：新生代中Eden+From survivor相当于内存A部分，To survivor相当于B部分，如果B不够用，则可以复制到老年代，此时老年代就对新生代进行了分配担保
  • 标记-整理算法（mark-compact）： 存活的对象向一端移动，清理掉存活对象以外的内存
  • 分带收集算法（generational collection）
    
    • 新生代：复制算法，存活率低，复制成本低
    • 老年代： 标记-清理，标记-整理算法，存活率高，没有额外空间做分配担保
    • 永久代（方法区）
      
      • 废弃常量：如果没有地方引用常量（如字面量“abc”），则该常量就会被系统清理出常量池
      • 无用的类： 满足3个条件，该类的所有实例都被回收，加载该类的ClassLoader被回收，该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法再任何地方通过反射访问该类的方法，则卸载类
• 垃圾收集器
  
  • 新生代
    
    • Serial（Client模式下默认的新生代收集器，适用于单个CPU环境）： 单线程收集垃圾，暂停用户工作线程
    • ParNew（Serial的多线程版本，Server模式下首选的新生代收集器）： 多线程并行收集垃圾，暂停用户工作现程
    • Parallel Scavenge（可控制吞吐量的收集器，适用于后台运算不需要太多交互的任务）：有用参数—GCTimeRatio（吞吐量的倒数）、UseAdaptiveSizePolicy（提供一个优化目标如吞吐量或是最大停顿时间，虚拟机可以自适应调节细节参数）
      
      • GC停顿时间的缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的，新生代越小GC越快，吞吐量=运行用户代码时间/（垃圾收集时间+运行用户代码时间）越小
  • 老年代
    
    • Serial Old（Serial的老年代版本）：单线程、标记-整理
    • Parallel Old（Parallel的老年代版本）：单线程、标记-整理
    • CMS（concurrent mark sweep）：以回收停顿时间最短为目标，应用广泛，标记-清除算法
      
      • 步骤： 初始标记（STW，标记GC Root直接关联的对象，速度快），并发标记（GC Root tracing，与用户工作线程同时执行），重新标记（STW，修正并发标记期间产生变动的对象标记记录，时间长于初始标记，短于并发标记），并发清除（标记-清除）
      • 缺点： CPU数量不足4个时，CMS对用户程序影响较大，占用CPU资源，导致应用程序变慢；无法处理浮动垃圾（并发清理过程中用户线程产生的新的垃圾）；不能等老年代几乎填满了再收集，需要预留一部分空间供并发收集时程序运行使用；标记-清除，内存碎片，内存整理无法并发完成
  • G1：并行与并发，分代收集（采用不同的方法处理新创建的对象和存活一段时间的对象） ，空间整合（整体上是标记-整理，局部看是复制算法，无内存碎片），可预测的停顿
    
    • 将JAVA堆划分成多个等大的独立区域region，每个region对应一个remebered set，其中存储的是该region中的reference引用的属于其他的region的对象的引用信息
    • 步骤：初始标记（STW，标记GC Root直接关联的对象，速度快），并发标记（GC Root tracing，与用户工作线程同时执行），最终标记（STW，修正并发标记期间产生变动的对象标记记录，时间长于初始标记，短于并发标记，remebered set，并行执行），筛选回收（对各个region的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的GC停顿时间来制定回收计划）
• 内存分配和回收策略
  
  • 如果启动本地线程分配缓冲，则对象优先按线程分配在TLAB上
  • 优先分配在Eden区
  • Eden区空间不足，则minor GC（较频繁、速度快，处理新生代），存活对象存入survivor区，年龄设为1
    
    • 在survivor区每熬过一次minor GC，则年龄+1，年龄足够大后移至老年代（MaxTenuringThreshold设置年龄）
    • survivor空间中同龄对象数量占多一半时，大于该年龄的对象直接存入老年代
  • 大对象直接存入老年代，避免大量内存复制
  • 老年代最大可用连续空间不足以存放新生代对象时，出发Full/Major GC（常伴随minor GC，速度慢，处理新生代+老年代）

• HotSpot的算法实现

  • 枚举GC Root –> OopMap（ordinary object pointer map）数据结构（在特定位置记录下站和寄存器中哪些位置是引用）

    GC Root： 虚拟机栈中引用的对象，本地方法栈中Native方法引用的对象，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

  • 安全点：HotSpot并不为每条指令生成OopMap，所谓的特定位置就是safepoint。

    • 程序只能在到达安全点时才能暂停，执行GC，所以安全点不能太少（让GC等待太久）也不能太多（增大运行时负荷）
    • 安全点选定基准：让程序长时间执行，特征是：指令序列复用（如，方法调用、循环跳转、异常跳转等）
    • 程序中断方案
      
      • 抢先式中断：GC发生时，所以线程全部中断，中断位置不是安全点的线程再恢复运行直至到达安全点
      • 主动式中断：GC发生时，先设置一个标志，所有线程到达每个安全点时查询该标志是否被设置，如果被设置则中断，否则继续运行
  • 安全区域：一段引用关系不会发生变化的代码片段，GC安全
    
    • 进入安全区域后，标识自身，GC发生时，不会中断这些线程，当线程要离开安全区域时，检查GC是否完成，未完成则等待，完成则继续运行
    • 用于解决一旦线程sleep或block，则无法像安全点中断方案所说的运行到安全点的问题

性能监控与故障处理工具

• jps：查询正在运行的虚拟机进程的ID号
• jstat： 查询虚拟机信息，如类装载、卸载数量、空间、耗时，垃圾收集各个区域的空间、耗时、GC原因等，运行期编译的方法、耗时等
• jinfo：java虚拟机参数列表、配置信息
• jmap： 生成dump文件，查询finalize执行队列、Java堆和永久代使用率、收集器等详细信息
• jstack： 堆栈跟踪工具，生成线程快照，定位线程长时间停顿原因
• 可视化工具：jconsole，visualVM，memory analyzer tool，jrockit mission control