JVM内存结构与GC算法

JVM内存结构与GC算法

运行时数据区域

• 虚拟机栈、本地方法栈(native方法)、程序计数器：指令相关
• 堆、方法：数据相关
• 方法区和堆是所有线程共享的内存区域；而java栈、本地方法栈和程序计数器是运行是线程私有的内存区域

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器，各线程之间独立存储，互不影响。

虚拟机栈

虚拟机栈（Virtual Machine Stacks）是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。栈的大小缺省为1M，可用参数 –Xss调整大小，例如-Xss256k。

• 局部变量表:顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的。首先它是一个32位的长度，主要存放我们的Java的八大基础数据类型，一般32位就可以存放下，如果是64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的Object对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。
• 操作数据栈：存放我们方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的java数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的，操作数栈运行方法是会一直运行入栈/出栈的操作
• 动态连接:Java语言特性多态（需要类加载、运行时才能确定具体的方法），动态特性（Groovy、JS、动态代理）
• 返回地址:正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。JDK7及以前，将方法区称为永久代；JDK8开始，元空间取代永久代。

• 调整参数
  • jdk1.7及以前：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
  • jdk1.8以后：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize

堆

Java堆（Heap）,是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

• 对象分配规则

  • 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
  • 大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存，老年代采用标记 -清除算法收集内存）。
  • 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，知道达到阀值对象进入老年区。
  • 动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
  • 空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

• 参数调整

  • -Xms：堆的最小值；
  • -Xmx：堆的最大值；
  • -Xmn：新生代的大小；
  • -XX:NewSize；新生代最小值；
  • -XX:MaxNewSize：新生代最大值；

• 直接内存
  不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域；如果使用了NIO,这块区域会被频繁使用，在java堆内可以用directByteBuffer对象直接引用并操作；这块内存不受java堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现OOM异常。

GC

• Minor GC：如果新生的对象无法在 Eden 区创建（Eden 区无法容纳) 就会触发一次Young GC 此时会将 S0 区与Eden 区的对象一起进行可达性分析，找出活跃的对象，将它复制到 S1 区并且将S0区域和 Eden 区的对象给清空，这样那些不可达的对象进行清除，并且将S0 区 和 S1区交换。
• Major GC：发生在老年代的GC ，基本上发生了一次Major GC 就会发生一次 Minor GC。并且Major GC 的速度往往会比 Minor GC 慢 10 倍。
  • 触发条件
    • 对于一个大对象，我们会首先在Eden 尝试创建，如果创建不了，就会触发Minor GC
    • 随后继续尝试在Eden区存放，发现仍然放不下
    • 尝试直接进入老年代，老年代也放不下
    • 触发 Major GC 清理老年代的空间
    • 放的下 成功
    • 放不下 OOM
• Full GC：清理整个堆空间—包括年轻代和老年代
  • 触发条件
    • 直接调用System.gc
    • 旧生代空间不足，当执行Full GC后空间仍然不足，则抛出如下错误：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    • Permanet Generation空间满，PermanetGeneration中存放的为一些class的信息等，当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，Permanet Generation可能会被占满，在未配置为采用CMS GC的情况下会执行Full GC。如果经过Full GC仍然回收不了，那么JVM会抛出如下错误信息：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    • CMS GC时出现promotion failed和concurrent mode failure
      对于采用CMS进行旧生代GC的程序而言，尤其要注意GC日志中是否有promotion failed和concurrent mode failure两种状况，当这两种状况出现时可能会触发Full GC
    • 统计得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间

GC算法与垃圾回收

• 对象存活判断

  • 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。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。
  • 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，则证明此对象是不可用的，不可达对象。

• GC最基础的算法有三种：标记 -清除算法、复制算法、标记-压缩算法，我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。

  • 标记 -清除算法，“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。缺点是会产生碎片空间。
  • 复制算法，“复制”（Copying）的收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。缺点是会浪费50%内存空间。
  • 标记-压缩算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。缺点是耗时更久。
  • 分代收集算法把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

• 垃圾回收器

  • Serial收集器，串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。
  • ParNew收集器，ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。
  • Parallel收集器，Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。
  • Parallel Old 收集器，Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法
  • CMS收集器，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
  • G1收集器，G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足GC停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征