JVM 内存结构

虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域：

• 方法区与堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据.

  • HotSpot 虚拟机把方法区叫做永久代（Permanent Generation）
  • 在 jdk1.7 中，符号引用放到 native heap，字符串常量、类的静态变量放到 java heap
  • 在 jdk1.8 中，永久代被移除，类的元数据放到本地堆内存（native heap）中，这一块区域叫 Metaspace（元空间）

• 运行时常量池：方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中

• 堆：被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配内存

  • 使用 new 关键字，就表示在堆中开辟一块新的存储空间
  • 堆内存由年轻代/新生代和老年代组成，而年轻代又被分成三部分，Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间，默认情况下年轻代按照 8:1:1 的比例来分配
  • 堆内存又被划分成不同的部分：伊甸区（Eden）、幸存者区域（Survivor Sapce）、老年代（Old Generation Space）

• Java 虚拟机栈：每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧，每个方法被执行时都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。当方法调用完毕，该方法的栈帧就被销毁了

• 本地方法栈：每个线程在调用本地方法时都会创建一个栈帧，为虚拟机使用到的 native 方法服务

• 程序计数器：每个线程都有自己的程序计数器，用来记录当前线程正在执行的字节码指令的地址

JVM 常见参数

• –Xms 设置堆的最小空间大小，默认为物理内存的 1/64
• –Xmx 设置堆的最大空间大小，默认为物理内存的 1/4
• –Xss 设置每个线程的堆栈大小，jdk1.5 以后默认为 1M
• –Xdebug 在调试模式下运行
• –XX:NewSize 设置新生代最小空间大小
• –XX:MaxNewSize 设置新生代最大空间大小
• –XX:PermSize 设置永久代最小空间大小
• –XX:MaxPermSize 设置永久代最大空间大小
• –XX:NewRatio 设置老年代与新生代的比值，默认值为 3
• –XX:SurvivorRatio 设置年轻代中 Eden 区与 2 个 Survivor 区的比值
• –XX:MaxTenuringThreshold 表示一个对象如果在 Survivor 区移动的次数达到设置值还没有被垃圾回收就进入老年代（如果设置为 0 的话，则年轻代对象不经过 Survivor 区，直接进入老年代）
• –XX:PretenureSizeThreshold 直接晋升到老年代的对象大小
• –XX:+PrintGCDetails 输出详细的 GC 处理日志
• –XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 让 JVM 碰到 OOM 场景时输出 dump 信息

注意:命令的X前面是两个 - 哦,比如 - - Xms

GC 算法

对象存活判断

判断对象是否存活一般有两种方式：

• 引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加 1，引用释放时计数减 1，计数为 0 时可以回收（Java 并没有选择引用计数，因为存在对象相互循环引用的问题）,像python这种脚本语言是用的引用计数法
• 可达性分析（Reachability Analysis）：从 GC Roots 开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，则认为此对象是不可达的（JVM 会把虚拟机栈和本地方法栈中正在引用的对象、静态属性引用的对象和常量，作为 GC Roots）

垃圾回收机制

• 自动垃圾回收机制；只能回收堆内存中不再被程序引用的对象所占的内存
• 回收内容：堆中的可回收对象；方法区无用的元数据（卸载不再使用的类型，默认 -XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark）

垃圾收集算法

• 垃圾收集算法主要有：复制、标记-清除、标记-整理
• 复制算法（Copying）
  • 将内存分为大小相等的两块，每次只用其中一块，一块内存用完之后，将存活对象复制到另一块内存区域，然后将原来的半块内存区城全部回收
  • 只需移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效，且内存回收后不会产生内存碎片
  • 缺点：可用内存缩小为原来的一半，代价高
• 标记-清除算法（Mark-Sweep）
  • 首先标记出所有需要回收的对象，然后进行清除
  • 缺点：标记和清除过程的效率都不高；内存回收后会产生大量不连续的内存碎片
• 标记-整理算法（Mark-Compact）
  • 标记需要回收的对象，将存活对象移动到一端，然后将端边界以外的内存回收
• 分代收集算法（Generational Collection）
  • GC 分代的基本假设：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短
  • 把 Java 堆分为新生代和老年代，根据各个年代的特点采用最适当的收集算法
  • 在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集；而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收

垃圾收集过程

• 当 Eden 区的空间占用达到一定阈值时，触发 Minor GCEden 区中所有存活的对象都会被复制到 To 区域，而在 From 区中仍存活的对象会根据它们的年龄值来决定去向，年龄达到一定值（年龄阈值）的对象会被移动到老年代中，没有达到阈值的对象会被复制到 To 区域
• 当老年代的剩余空间不足的时，触发 Major GC
• 老年代 GC 叫作 Major GC，将对整个堆进行的清理叫作 Full GC

垃圾收集器 Garbage Collector

• Serial 收集器：一个采用单个线程并基于复制算法工作在新生代的收集器，进行垃圾收集时，必须暂停其它所有的工作线程（Stop The World），是 Client 模式下 JVM 的默认选项，-XX:+UseSerialGC

• Serial Old 收集器：一个采用单线程基于标记-整理算法并工作在老年代的收集器

• ParNew 收集器：Serial 收集器的多线程版本（使用多个线程进行垃圾收集），-XX:+UseParNewGC

• CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）：一种以尽量减少停顿时间为目标的收集器，工作在老年代，基于标记-清除算法实现，-XX:+UseConcMarkSweepGC

• Parallel Scavenge 收集器：一个采用多线程基于复制算法并工作在新生代的收集器，也被称作是吞吐量优先的 GC，是早期 jdk1.8 等版本中 Server 模式 JVM 的默认 GC 选择，-XX:+UseParallelGC，使用 Parallel Scavenge（年轻代）+ Serial Old（老年代）的组合进行 GC

• Parallel Old 收集器：一个采用多线程基于标记-整理算法并工作在老年代的收集器，适用于注重于吞吐量及 CPU 资源敏感的场合，-XX:+UseParallelOldGC，使用 Parallel Scavenge（年轻代）+ Parallel Old（老年代）的组合进行 GC

• G1 收集器：jdk1.7 提供的一个工作在新生代和老年代的收集器，基于标记-整理算法实现，在收集结束后可以避免内存碎片问题，一种兼顾吞吐量和停顿时间的 GC，是 Oracle jdk1.9 以后的默认 GC 选项
  

• jdk1.7 默认垃圾收集器 Parallel Scavenge（新生代）+ Serial Old（老年代）

• jdk1.8 默认垃圾收集器 Parallel Scavenge（新生代）+ Serial Old（老年代）

• jdk1.9 默认垃圾收集器 G1

-XX:+PrintCommandLineFlags 查看 JVM 设置的 XX 选项的值
-XX:+PrintGCDetails 查看 GC 日志的新生代、老年代名称判断

Java 内存模型

Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）是一个抽象的概念，描述了一组规则或规范，定义了程序中各个共享变量的访问规则

• JMM 规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中
• 每个线程还有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量（volatile 变量仍然有工作内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定，所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般）
• 不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程之间值的传递都需要通过主内存来完成

Java 对象模型

• Java 对象在 JVM 中的存储结构

• HotSpot 虚拟机中，设计了一个 OOP-Klass Model，OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，而 Klass 用来描述对象实例的具体类型

• 每一个 Java 类，在被 JVM 加载的时候，JVM 会给这个类创建一个instanceKlass，保存在方法区，用来在 JVM 层表示该 Java 类。当我们在 Java 代码中，使用 new 创建一个对象的时候，JVM 会创建一个 instanceOopDesc 对象，这个对象中包含了对象头以及实例数据

  

JVM 性能监控与故障处理工具

• jps：JVM Process Status Tool，显示指定系统内所有的 HotSpot 虚拟机进程
• jcmd：发送诊断命令请求到正在运行的 JVM
• jstat：JVM Statistics Monitoring Tool，用于收集 HotSpot 虚拟机各方面的运行数据
• jstack：Stack Trace for Java，显示虚拟机的线程快照
• jinfo：Configuration Info for Java，显示虚拟机配置信息
• jmap：Memory Map for Java，生成虚拟机的内存转储快照（heapdump 文件）
• jhat：JVM Heap Dump Browser，用于分析 heapdump 文件，它会建立一个 HTTP/HTML 服务器，让用户可以在浏览器上査看分析结果

JDK 的可视化工具

• JConsole：Java 监视和管理控制台
• JMC（Java Mission Control）
• Visual VM：多合一故障处理工具

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