初识JVM自动内存管理机制

参考资料（视频）

https://ke.qq.com/course/331125?_bid=167&_wv=3&from=Mobile_qqchat

Java虚拟机基本结构

• 类加载子系统与方法区：类加载子系统负责从文件系统或网络中加载 Class 信息，加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中可能还会存放运行时常量池信息，包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是 Class 文件中常量池部分的内存映射）。方法区为线程共享
• Java 堆：Java 堆在虚拟机启动的时候建立，它是 Java 程序最主要的内存工作区域。几乎所有的 Java对象实例都存放在 Java 堆中。堆空间是所有线程共享的，这是一块与 Java 应用密切相关的内存空间
• 直接内存：Java 的 NIO 库允许Java程序使用直接内存。直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于Java堆。因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于 Xmx 指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存
• 垃圾回收系统：垃圾回收系统是Java虚拟机的重要组成部分，垃圾回收器可以对方法区、java堆和直接内存进行回收。其中，java堆是垃圾回收器的工作重点。和C/C++不同，Java中所有的对象空间释放都是隐式的，也就是说，Java中没有类似free（）或者delete（）这样的函数释放指定的内存区域。对于不再使用的垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默工作，默默查找、标识并释放垃圾对象，完成包括Java堆、方法区和直接内存中的全自动化管理
• Java栈：每一个Java虚拟机线程都有一个私有的Java栈，一个线程的Java栈在线程创建的时候被创建，Java栈中保存着帧信息、局部变量、方法参数，同时和Java方法的调用、返回密切相关
• 本地方法栈：本地方法栈和Java栈非常类似，最大的不同在于Java栈用于Java方法的调用，而本地方法栈则用于本地方法（由关键字 native 修饰的方法）的调用，作为对Java虚拟机的重要扩展，Java虚拟机运行Java直接调用本地方法（通常用C编写）
• 程序计数器：程序计数器也是每一个线程私有的空间，Java虚拟机会为每一个Java线程创建一个程序计数器，在任意时刻，一个Java线程总是在执行一个方法，这个被执行的方法称为当前方法。如果当前方法不是本地方法，程序计数器就会指向当前正在被执行的指令；如果当前方法是本地方法，那么程序计数器的值就是 undefined
• 执行引擎：执行引擎是Java虚拟机的最核心组件之一，它负责执行虚拟机的字节码，现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术（JIT）将方法编译成机器码后再执行

JVM堆结构图及分代

• 内存分代示意图：

• JVM内存分代策略：Java虚拟机根据对象存活的周期不同，把堆内存划分为几块，一般为新生代、老年代和永久代（对HotSpot虚拟机而言，可能之后这个代会被去除，jdk8已经移除永久代）
• 为什么要分代？为了提高对象内存分配核垃圾回收的效率
• 新创建的对象会在新生代中分配内存，经过多次回收仍然存活下来的对象存放在老年代中。静态属性、类信息等存放在永久代中。新生代中的对象存活时间短，只需要在新生代区域中频繁进行GC；老年代中对象生命周期长，内存回收的频率相对较低，不需要频繁进行回收；永久代回收效果太差，一般不进行垃圾回收

• 新生代（Young Generation）：新生成的对象在Eden区分配（大对象除外，大对象直接进入老年代）。当Eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。GC开始时，对象只会存在于Eden区和From区，To区是空的（作为保留区域）。GC进行时，Eden区中所有存活的对象都会被复制到To区。而在From区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值决定去向，年龄值达到年龄阈值（默认为15，新生代中的对象每熬过一轮垃圾回收，年龄值就加1，GC分代年龄存储在对象的header中）的对象会被移到老年代中，没有达到阈值的对象会被复制到To区，接着清空Eden区和From区，此时新生代中存活的对象都在To区。接着，From区和To区交换它们的角色，也就是新的To区就是上次GC清空的From区，新的From区就是上次GC的To区。总之，不管怎样，都会保证To区在一轮GC后总是空的。GC时当To区没有足够的空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，需要依赖老年代进行分配担保，将这些对象存放在老年代中（担保机制）
• 老年代（Old Generation）：在新生代中经历了多次（具体看虚拟机配置的阈值）GC后仍然存活下来的对象会进入老年代中。老年代中的对象生命周期较长，存活率较高，在老年代中进行GC的频率相对而言较低，而且回收的速度也比较慢
• 永久代（Permanent Generation）：永久代存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，对这一区域而言，Java虚拟机规范指出可以不进行垃圾收集，一般而言不会进行垃圾回收

JVM垃圾回收算法

• 引用计数算法（Reference Counting）：比较古老的回收算法。原理是此对象有一个引用，则增加一个计数，删除一个引用则减少一个计数。垃圾回收时，只用收集计数为0的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题
• 复制算法（Copying）：此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用种的对象复制到另外一个区域中。此算法每次只处理正在使用中的对象，因此算法成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存管理，不会出现“碎片”问题。当然，此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍内存空间
• 标记-清除算法（Mark-Sweep）：此算法执行分两阶段，第一阶段从引用根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。此算法需要暂停整个应用（STW），同时，会产生内存碎片
• 标记-整理算法（Mark-Compact）：此算法结合了“复制”和“标记-清除”两个算法的优点，也是分两个阶段。第一阶段从根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，清除未标记对象并把存活对象“压缩”到堆中的其中一块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题

JVM收集器

• Scavenge GC（次收集）和 Full GC（全收集）的区别：

1. 新生代GC（Scavenge GC）：也称 Minor GC，指发生在新生代的GC。因为新生代的Java对象大多都是朝生夕死，所以Scavenge GC非常频繁，一般回收速度也比较快。当Eden区空间不足以为对象分配内存时，会触发Scavenge GC
2. 老年代GC（Full GC）：也称 Major GC，指发生在老年代的GC。出现了Full GC一般会伴随着至少一次的Minor GC（老年代的对象大部分是Minor GC过程中从新生代进入老年代的），比如：担保失败（老年代内存不足时担保失败）。Full GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上，当老年代内存不足或者显式调用System.gc()方法时，会触发Full GC

• 新生代收集器：

1. 串行收集器（Serial）：Serial 收集器是HotSpot 运行在 Client 模式下的默认新生代收集器，它的特点是只用一个CPU/一条收集线程使用复制算法去完成GC工作，且在进行垃圾收集时必须暂停其他所有的工作线程（Stop The World,STW）,可以使用参数-XX：UseSerialGC 打开
2. 并行收集器（ParNew）：ParNew 收集器其实是前面 Serial 的多线程版本，除使用多条线程进行GC外，其余特点都与Serial算法相同。若老年代收集器使用的是CMS，则ParNew将是默认的新生代收集器
3. Parallel Scavenge 收集器：与ParNew类似，Parallel Scavenge 也是使用复制算法，也是并行多线程收集器，但与其它收集器关注尽肯能缩短垃圾收集时间不同，它更关注系统吞吐量。停顿时间越短就越适用于用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户的体验；而高吞吐量则适用于后台运算而不需要太多交互的任务，可以最高效率地利用CPU时间，尽快地完成程序的运算任务

• 老年代收集器：

1. Serial Old 收集器：为 Serial 收集器的老年代版本，同样是单线程收集器，使用“标记-整理”算法
2. Parallel Old 收集器：为Parallel Scavenge的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法，吞吐量优先，主要与Parallel Scavenge配合
3. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：真正意义上的并发收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，基于“标记-清除”算法实现。整个GC过程分为以下4个步骤：初始标记（STW）、并发标记、重新标记（STW）和并发清除

• G1（Garbage First）收集器：不属于分代收集器，新老通用。G1将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）,虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合
• JVM中并行和并发：并行指GC多线程运行（与用户线程无关），并发指GC线程与用户线程一同运行
• JVM优化的思路：

1. 选择JVM版本（Client 或者 Server）
2. 设置堆区大小的分配
3. 选择合适的垃圾回收器