JVM的内存结构、垃圾回收算法和垃圾收集器的详解

运行时数据区（Run-Time Data Areas）

运行时数据区

• 本地方法区：方法区和堆一样，也是被所有线程共享的内存区域。它存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译后的代码数据。
• 虚拟机栈（JVM Stacks）：每个Java虚拟机线程都有一个私有Java虚拟机栈，与线程同时创建。每个方法执行的同时都会创建一个栈，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息，每一个方法从调用到直至完成的过程，对应着一个栈在虚拟机中入栈到出栈的过程。
• 本地方法栈：与虚拟机栈发挥的作用类似，他们之间的区别是：虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法提供服务；本地方法栈是为虚拟机执行native方法服务。
• 堆（Heap ）：堆是所有线程之间共享的内存区域。堆是运行时数据区，从中分配所有类实例和数组的内存。堆是在虚拟机启动时创建的。
• 程序计数器（PC Register)：JVM支持多线程同时执行，每个线程都有自己的PC Register，线程正在执行的方法叫当前方法。如果该方法不是 native方法，则PC Register包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址。如果线程当前正在执行该方法是native方法，则Java虚拟机PC Register的值未定义。
• 运行时常量池：是方法区的一部分。Class文件除了版本，字段，方法，接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的字面量和符号的引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

Java的内存结构

JVM内存结构

常用JVM配置参数

• -Xms jvm初始的堆内存大小，默认为物理内存的1/64，等价于 -XX:InitialHeapSize=
• -Xmx jvm最大的堆内存大小，默认为物理内存的1/4,等价于 -XX:MaxHeapSize=
• -Xss 设置单个线程栈的大小，默认512k-1024k，等价于 -XX:ThreadStackSize
• -Xmn 设置新生代的大小，默认为堆空间的1/3
• -XX:MetaSpaceSize:设置元空间的大小，元空间本质和永久代类似，都是对JVM规范中本地方法区的实现。不过元空间与永久代最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存，因此默认情况下，元空间的大小仅受物理内存大小的限制。
• -XX:+PrintGCDetails 输出详细GC收集日志信息
• -XX:SurvivorRatio:设置新生代中eden（survivorFrom）和S0/S1（survivorTo）的比例
  默认-XX:SurvivorRatio=8,Eden:S0:S1=8:0:0
  SurvivorRatio的值就是默认eden的比例占比，S0和S1占比相同
• -XX:NewRatio:配置新生代和老年代在堆中空间大小的比例
  默认-XX:NewRatio=2,新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆内存的1/3
  假如-XX:NewRatio=4,新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆内存的1/5
  NewRatio就是设置老年代的占比值，剩下的1给新生代
• -XX:MaxTunuringThreshold 设置垃圾的最大年龄，java8默认为15，如果设置值的话必须在0-15如果设置为0，则年轻代不经过Survivor区，直接进入年老代，对于老年代比较多的应用，可以提高效率如果设置的的比较大，则年轻代会在Survivor区进行多次复制，这样增加 对象在年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概率。

垃圾回收算法

1. 什么是垃圾？

简单来说就是内存中不可能再被使用到的对象空间就是垃圾。

2 如何确定一个对象是垃圾？可以回收

• 引用计数法：如果一个对象的引用为0，则可以回收。但是如果两个对象相互引用，则这两个对象永远不可回收，所以现在基本不使用该方法判断。
• 枚举根节点，可达性分析，Java虚拟机采用的算法。基本思路就是通过一系列名为“GC Roots”的对象作为起始点，开始向下搜索，如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则说明此对象不可用。也即，给一个集合的引用为根出发，通过引用关系遍历图，能被遍历到的就判定为存活，没有被遍历到的自然判定为死亡。

Java中可以作为GC Roots对象有:

• 虚拟机栈（栈帧中的局部变量区，也叫局部变量表）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。
• 本地方法栈中Native方法引用的对象。
• 线程

3. 常用的垃圾回收算法

复制算法

java堆从GC角度还可以细分为：新生代（Eden区，From Survivor区和To Survivor区，占用1/3的堆空间）和老年代（占据2/3的堆空间）。

Minitor GC的过程（复制-清空-互换）
Eden、SurvivorFrom复制到SurvivorTo，年龄+1；

• 首先，当Eden区满的时候，第一次触发GC，把还活着的对象拷贝到SuvivorFrom区，当Eden区满再次触发GC的时候会扫描Eden区和SurvivorFrom区，对这两个区域进行垃圾回收，经过这次回收还活着的对象，则直接复制到SuvivorTo区域（如果对象的年龄达到了老年代，则赋值到老年代），同时把这些对象的年龄+1；
• 清空Eden和SurvivorFrom中的对象，也即复制之后交换，谁空谁是To;
• SurvivorFrom和SurvivorTo互换
• 最后，SurvivorFrom和SurvivorTo互换，原SurvivorTo成为下一次GC时的SurvivorFrom区，部分对象会在From区域和To区域复制来复制去，如此交换15次（由JVM参数MaxTenuringThreshold决定，这个参数默认是15）
• 最终如果还是存活，就存入老年代。

    优点：整体复制，没有产生内存碎片。
    缺点：浪费空间，大对象复制会耗时。

标记清除

先标记出要回收的对象，再统一回收这些要清除的对象。

  优点：没有大面积的复制，节约内存空间
  缺点：产生内存碎片。

标记整理

标记要回收的对象，再次扫描，并往一端滑动存活的对象。

  优点：没有内存碎片，可以使用bump.
  缺点：移动存活对象的成本，耗时间。

主流的三种算法各有优缺点，综合来看，使用分代收集，复制算法用于年轻代，标记清除，标记整理用于老年代。

GC垃圾回收算法和垃圾收集器的关系？

GC算法（引用计数，复制，标记整理，标记清除）是内存垃圾回收的方法论。垃圾收集器就是GC算法的落地实现。

因为目前为止还没有出现完美的垃圾回收器出现，更加没有万能的收集器，只有针对具体的应用最合适和垃圾回收器，进行分代收集。

4种主要的垃圾收集器

• serial 串行垃圾回收器：他为单线程环境设计且只使用一个线程进行垃圾回收，会暂停所有的用户线程所以不适合服务器环境。
• paraller 并行垃圾回收器：多个垃圾收集线程并行工作，此时用户的线程是暂停的，适用于科学计算，大数据处理首台处理等弱交互的场景。
• CMS 并发垃圾回收器：用户线程和垃圾回收线程同时执行(不一定是并行，有可能交替进行)，不需要停顿用户线程互联网公司多使用他，对于响应有时间限制的场景。
• G1垃圾回收器：将堆内存分割为不同的区域，然后并发的对其进行垃圾回收。

如何选用合适的垃圾收集器？

组合的选择：
1、单核的CPU或者小内存，单机程序
-XX:UseSerialGC

2、多CPU，需要最大吞吐量，如后台计算型应用
-XX:UseParallelGC 或者-XX:UseParallelOldGC

3、多CPU,追求最小停顿时间，最快速响应，如互联网应用
-XX:+UserConcMarkSweepGC
-XX:+ParNewGC

参考链接：JVM官方规范