JVM内存分配与垃圾回收浅析

想做architect,就必须对JVM的性能有所了解。JVM的内存管理是性能的一大瓶颈。JVM的性能调优，必须建立在对内存管理策略理解的基础之上。内容太多，简单的写写。

Agenda是： JVM内存划分 ->垃圾回收算法->内存分配策略->JVM垃圾收集器分类

JVM内存划分

1.方法区：存放Class定义，常量，全局变量
2.堆：存放对象实例
3.栈：（线程私有）对正在运行方法指令，变量值，实例引用进行压栈
4.PC计数器：（线程私有）记录当前指令位置
5.本地方法区：（线程私有）native code占用的内存。

堆中大量的实例死去以后，需要进行垃圾回收。否则就out of memory.方法区里面也需要进行垃圾回收，尤其是osgi和jsp的应用。大量的class动态生成，也会导致方法区out of memory.

满足下面条件，方法区的class定义所占内存将被回收

1. class所有的实例均被回收。
2. class的classloader被回收。
3. class没有再被引用，以免使用reflect被初始化。

JVM启动参数 -Xnoclassgc 表示不对方法区进行垃圾回收。请谨慎使用。方法区垃圾回收到此结束。

后面所有的讨论都是关于堆中的垃圾回收。

回收算法

简单的说，如果一个实例没有再被使用，则可以当作垃圾被回收。如何判断实例是否被引用？通过根搜索，从GC roots开始，如果能找到实例，则实例还在被使用，如果找不到，则实例就已经死去。

GC roots可以是：

• 栈中reference
• 方法区中的reference

Java中对reference又分4类：

• 强引用，不能回收
• 软引用，第一次GC发生时，不回收，第二次回收
• 弱引用，回收
• 虚引用，回收 （虚引用我们接触不到，它是JVM用于接收垃圾回收后发送事件）。

新生代与老生代

堆中实例又被分为新生代和老生代。简单的理解，新生代是生命周期短，朝生夕死的实例，GC发生时新生代的成活率不足10%。老生代是一旦生成，就很难死去的实例。它们的成活率能占到近2/3.

新生代向老生代转变的几个条件：

1. 新生代超过N次GC都没被回收，将变为老生代。N可以通过JVM参数指定，-XX:MaxTenuringThreshold=N. Parallel收集器默认是15.
2. 如果实例需要的内存大小超过M,则直接分配到老生代。 M可以通过JVM参数指定。-XX:PretenureSizeThreshold=M。
3. 如果suvivor中 同一代的实例在占据了survivor区（稍后讲）的一半以上，则年龄大于等于此代的一同进入老生代。
4. Minor GC时，Survivor无法容纳存活新生代，由老生代空间担保，新生代被挪入老生代。

回收算法大体3类

1. 标记-清除  顾名思义，就是将还在用的实例进行标记，然后将没标记的内存全部释放掉。 缺点是这将导致不连续的内存碎片，使得后面无法进行大块内存分配，从而导致再次出发GC。 老生代收集器CMS使用的算法。碎片也是CMS收集器的巨大缺点。
2. 复制    新生代所使用的算法。新生代的内存分成3块，Eden和2个survivor. 因为大部分新生代成活率不到10%，所以，使用复制算法，将存活的实例复制到其中一个空白的survivor上，然后释放eden和另一个survivor的内存。两个survivor交替使用。上次GC用你，下次GC用我。默认情况下，Eden的大小是一个survivor大小的8倍。两个survivor相等。所以一个survivor占新生代内存的10%。 使用-XX:SurvivorRatio=8来改变eden与survivor的比例。
3. 标记-整理  老生代经常使用的算法。和清除不同，将标记存活的实例向前移动，使得它们在内存上是存放连续的。

堆内存分配策略与GC触发

堆的大小由下面参数决定。
-Xms 堆最小值， -Xmx 堆最大值。

堆的大小动态调整
-XX:MaxHeapFreeRatio=70 当堆剩余空间达到70%，堆将变为Xms最小值。
-XX:MinHeapFreeRatio=40 当堆剩余空间低于到40%，堆将变成Xmx最大值。

堆分新生代和老生代。
-Xmn 为新生代大小。也可以用-XX:NewRatio=2来分配New/Old的比例。 2为默认值。

新生代又划分Eden和2*survivor。
-XX:survivorRatio=8来规定Eden/survivor的比例。8为默认值。

实例首先尝试分配在新生代eden上。如果实例所占内存超出限制XX:PretenureSizeThreshold，则直接分配到老生代。新生代分配内存时，如果eden空间不足，则触发新生代的GC， minor GC。老生代分配内存时，如果空间不足，则触发老生代的GC， full GC。老生代的GC比新生代GC要慢很多倍。老生代GC频率也比新生代低。

新生代minor GC时，如果存活的空间survivor容纳不下，则需要用老生代空间担保。如果老生代也容纳不下，就需要老生代做一次Full GC。 JVM会计算以往minor GC时新生代晋升老生代的平均大小，如果平均大小大于老生代剩余空间，则有很大可能发生担保失败，所以在minor GC前，先触发一次Full GC. 如果小于，则查看是否允许担保失败，如果允许，就直接进行minor GC。不允许，则先Full GC，再minor GC。

-XX:+HandlePromotionFailure 是允许老生代担保失败的发生。每次minor GC前，都会检查老生代剩余空间。JVM会计算以往minor GC时新生代晋升老生代的平均大小。此参数用于当平均大小小于老生代剩余空间时。以往小于不代表这次也小于，风险还是存在。如果允许担保失败，则直接进行minor GC, minor GC失败后，再Full GC. 如果不允许担保失败，则必须先运行Full GC，再minor GC。

这样子新生代GC时，如果survivor无法容纳存活实例，则将部分复制到老生代担保中。

垃圾回收器

Serial : 新生代收集器，使用copy算法。特点是单线程，当GC运行时，stop the world，所有的用户线程都必须暂停，等GC完成。缺点是停顿时间太长。

ParNew: 新生代收集器，使用copy，特点是多线程，也是停止用户线程，GC以后再运行用户线程。

Parallel: 新生代收集器，使用copy，但它注重JVM的吞吐量(JVM运行用户线程时间/GC线程时间），在提高吞吐量上有非常好的性能。它提供了很多可控参数，帮助调节JVM的吞吐量和停顿时间。

Serial Old: 老生代收集器，使用标记整理算法，特点跟serial 一样。

Parallel Old:老生代收集器，使用标记整理，产生于JDK 1.6，和Parallel搭配。在之前，Parallel只能和Serial old搭配，总体性能不是特别理想，现在双P。

CMS(Concurrent Mark Sweep）：老生代收集器，使用标记清除。它的特点是可以和用户线程并发，可以减小停顿时间，但牺牲了吞吐量。CMS不能和Parallel搭配，一半和ParNew搭配。CMS的并发特性导致它3大缺点，1）对CPU要求高，2）无法清除因并发产生的浮动垃圾，3）容易产生碎片，为了清理碎片，每几次CMS之后，可以使用参数控制是否进行空间压缩。由于CMS是并发的，CMS需要预留空间给用户线程，一半老生代空间达到68%，就启动CMS. CMS过程中一旦程序失败，则发生CMS error。然后将使用Serial old作为它的备选，重新收集。CMS三个参数：

1. XX:CMSInitiatingOccupancyFaction  设置老年代空间使用多少后出发CMS垃圾收集。一般是68%
2. XX:UseCMSCompactAtFullCollection 每次CMS Full GC以后，做一次碎片整理。
3. XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 规定在多少次CMS Full GC以后，做一次碎片整理。

G1，传说中的新收集器，可以指定停顿时间，更高的效率。

Serial 和 serial old适合Client端的JVM。
Server端常用的是Parallel + Parallel Old, ParNew + CMS.
Parallel + Parallel Old 的吞吐量高
ParNew + CMS可减小停顿时间。

使用哪一个收集器，可以在JVM启动时用VM参数来指定。具体参考官方JVM options。

 完。