JVM 性能调优 - Java 虚拟机内存体系(1)

Java 虚拟机我们简称为 JVM（Java Virtual Machine）。

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中，会管理几个不同的数据区域。如下图所示：

下面我会介绍这几个数据区的特点。

堆

堆区的几个特点：

• 线程共享。
• 启动时创建堆这个区。
• 基本上所有的对象实例都在这个区分配。
• 物理上不连接（大对象除外）。逻辑上不连接。
• 内存分为新生代和老年代。新生代分为 eden 区和两个大小一样的 survivor 区。

内存细分：

Java 7 及之前内存逻辑上分为三部分：新生区 + 老年代 + 永久代。

• 新生区，又被划分为 Eden 区和 Survivor 区。
• 老年代。
• 永久代实现了方法区。

Java 8 及之后内存逻辑上分为三部分：新生区 + 老年代 + 元空间。

• 新生区，又被划分为 Eden 区和 Survivor 区。
• 老年代。
• 废弃了永久代，使用元空间，它属于本地内存。

方法区

• 线程共享。
• 主要存储这几类信息。
  • 类型信息。
  • 常量。
  • 静态变量。
  • 即时编译器编译后的代码缓存。

虚拟机栈

• 线程私有。
• 生命周期与线程相同。
• 一个线程中，每一个方法被执行的时候，创建一个栈帧。
• 栈帧 Stack Frame 的结构。
  • 存储局部变量表。
    • 基本数据类型。
    • 对象引用。
    • 返回地址（returnAddress）。
  • 操作数栈。
  • 动态连接。
  • 方法出口。

本地方法栈

• 线程私有。

• 虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

程序计数器

• 线程私有。

• 当前线程所执行的字节码的行号指示器。

几个数据区的特点思维导图

垃圾回收

垃圾回收主要关注方法区和堆中的垃圾收集。如下图所示，方法区和堆被高亮显示，用来说明垃圾收集器关心的收集区域。

收集堆区域是垃圾收集器的工作重点。上面我们也讲到了堆空间的划分，包含新生代和老年代，而垃圾收集器会频繁收集新生代，较少收集老年代。

什么是垃圾

我们可以先想下现实生活中的垃圾，比如吃香蕉后的香蕉皮，我们不需要就扔到垃圾桶了，那么香蕉皮就属于垃圾，需要被环卫工人回收。 那 Java 虚拟机中，什么是垃圾呢？

垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象，这些对象被当作垃圾被垃圾收集器回收。

如何确定垃圾

有两种算法来确定哪些对象是垃圾：引用计数法和根节点可达性分析。

• 引用计数法

原理：给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器的值就加一。每当有一个引用失效，计数器的值就减一。当计数器值为零时，这个对象被认为没有其他对象引用，可当作垃圾回收。

缺点：需要维护引用计数器，有一定的消耗。且较难处理循环引用的问题。（现在基本没有地方使用这种算法了，了解即可）。

• 可达性分析算法

原理：通过一系称为 GC Roots 的对象作为起始点，从 GC Roots 的对象出发，向下搜索，如果找到的对象和 GC Roots 有直接引用或间接引用关系，则说明这个对象不是垃圾，否则，这个对象就是垃圾。

哪些对象可以当作 GC Roots

• 虚拟机栈中的引用对象。
• 方法区中的类静态属性引用的对象。
• 方法区中常量引用的对象。
• 本地方法栈中的 JNI（Native 方法）引用的对象。

总结：除了堆空间外的一些结构，比如虚拟机栈、本地方法栈、方法区、字符串常量池等地方对堆空间进行引用的，都可以作为 GC Roots 进行可达性分析。

GC Roots 对象回收

编写程序

package com.test;

public class TestGCRoots {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
    private static TestGCRoots testGCRoots;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testGCRoots = new TestGCRoots();
        //gcRootsDemo = null;
        System.gc();
    }
}

运行程序

$ java -XX:+PrintGCDetails com.test.TestGCRoots
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 5980K->2904K(114176K)] 5980K->2912K(375296K), 0.0024028 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2904K->0K(114176K)] [ParOldGen: 8K->2689K(261120K)] 2912K->2689K(375296K), [Metaspace: 2672K->2672K(1056768K)], 0.0049802 secs] [Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
 PSYoungGen      total 114176K, used 983K [0x0000000740b80000, 0x0000000748a80000, 0x00000007c0000000)
  eden space 98304K, 1% used [0x0000000740b80000,0x0000000740c75da0,0x0000000746b80000)
  from space 15872K, 0% used [0x0000000746b80000,0x0000000746b80000,0x0000000747b00000)
  to   space 15872K, 0% used [0x0000000747b00000,0x0000000747b00000,0x0000000748a80000)
 ParOldGen       total 261120K, used 2689K [0x0000000642200000, 0x0000000652100000, 0x0000000740b80000)
  object space 261120K, 1% used [0x0000000642200000,0x00000006424a07d8,0x0000000652100000)
 Metaspace       used 2679K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 289K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

断开实例引用

package com.test;

public class TestGCRoots {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
    private static TestGCRoots testGCRoots;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testGCRoots = new TestGCRoots();
        gcRootsDemo = null;
        System.gc();
    }
}

运行程序

$ java -XX:+PrintGCDetails com.test.TestGCRoots
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 5980K->872K(114176K)] 5980K->880K(375296K), 0.0012472 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 872K->0K(114176K)] [ParOldGen: 8K->641K(261120K)] 880K->641K(375296K), [Metaspace: 2674K->2674K(1056768K)], 0.0063510 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
Heap
 PSYoungGen      total 114176K, used 983K [0x0000000740b80000, 0x0000000748a80000, 0x00000007c0000000)
  eden space 98304K, 1% used [0x0000000740b80000,0x0000000740c75da0,0x0000000746b80000)
  from space 15872K, 0% used [0x0000000746b80000,0x0000000746b80000,0x0000000747b00000)
  to   space 15872K, 0% used [0x0000000747b00000,0x0000000747b00000,0x0000000748a80000)
 ParOldGen       total 261120K, used 641K [0x0000000642200000, 0x0000000652100000, 0x0000000740b80000)
  object space 261120K, 0% used [0x0000000642200000,0x00000006422a07b8,0x0000000652100000)
 Metaspace       used 2681K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 289K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

对象和 GC Roots 没有引用关系时（这里引用关系可以是间接或直接引用），即对象不可达，将会被垃圾收集器标记为垃圾，后期被回收掉。