JVM虚拟机总结

        读了周志明老师的《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》第三版，总结一下里面的知识点。一方面是知识储备更多一些，另外是也为接下来的面试准备一下。

        全书分为13个章节，共5部分内容。我着重是看了jvm的内管管理、垃圾收集与内存分配策略、虚拟机故障工具和调优实战、类加载机制、Java内存模型以及线程安全锁这几个章节，一方面这几个章节里面的知识点在实际的工作里面有所适用，另外一方面是这里面的知识点基本都是面试经常面到的。

         Java虚拟机把内存分为若干个不同的区域，包括程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、方法区和堆。方法区和堆属于所有线程共享的数据区，其他三个则是线程私有的。

         程序计数器：它是当前线程所执行的字节码的行号指示器，此区域是唯一一个不会出现OutofMemoryError的区域

         虚拟机栈：虚拟机栈是描述Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行时候，Java虚拟机都会创建一个栈帧，用户存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应的一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，则会抛出StackOverflowError 异常

        本地方法栈：本地方法栈和虚拟机栈作用是类似的，区别是虚拟机栈是服务Java（也就是字节码），而本地方法栈是服务native方法的

        Java堆：对于Java程序来说，Java堆是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区域，在虚拟机启动时创建，此区域的唯一目的就是存储对象。 接下来的基本都是在Java堆里面的操作，下面会在重点来说。当Java堆内存不足时候，虚拟机会抛出OutofMemoryError异常

        方法区：方法区也是线程共享的，主要是存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等

      了解了Java虚拟机的构成之后，接下来就是针对Java虚拟机的重点-Java堆来展开介绍了。Java里面有大量的对象，这些对象怎么在堆里面创建、回收、生命周期是怎么样的，这些都是Java堆的处理。

      在Java里面，创建一个对象是通过new的方式来创建的，创建之后Java堆为其分配好内存的大小，当该对象不在使用或者怎么知道该对象不在使用后，Java回收期会对该对象进行回收呢？ Java虚拟机通过GcRoot算法和引用计数算法来确定一个对象是否需要进行回收。

     引用计数算法：在对象中添加一个引用计算器，每当有一个地方引用他时候，计数器加1，当引用失效时候，计数器减一。但其很难解决对象互相循环引用的问题

    可达性分析算法：这个算法的思路是通过一系列成为Gc Roots 的跟对象作为起始点合集，如果某个对象到Gc Roots没有任何的引用链相连，则认为此对象不在使用。

      当知道一个对象是否是出于要回收还是继续存活后，就可以对该对象进行垃圾回收了。虚拟机在对对象回收的过程中，使用了很多种垃圾回收器，随着计算机以及虚拟机的发展，垃圾回收器也纷繁多样，适用不同的场景。

     垃圾收集算法目前都是基于这几种方式为基础的：

     标记-清除算法（mark-sweep）：算法分为标记和清除阶段，首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收所有标记的对象。 该算法是最基础的收集算法，他的缺点主要有两个：第一个是执行效率不稳定，如果Java对象中含有大量的对象，而且其中大部分是需要回收的，这时会进行大量的标记和清除动作，导致标记和清除都会随着对象的数量增长执行效率的降低；第二个则是会产生内存空间碎片化问题，导致后面如果需要大对象分配时候，没有连续的内存空间而需要提前触发一次full gc

    标记-复制算法：将可用内存按照容量划分为大小相同的两块，每次只使用一块，当这一块使用完之后，将还存活的对象拷贝到另一块上面，然后把已使用过的内存空间进行一次清理。如果内存中多数对象都是存活的，这种算法将会产生大量的内存间复制的开销，但是对于少数的可回收的情况，则会很快，而且也没有空间碎片 。标记-复制算法的优缺点也很明显，优点是不会产生空间碎片，缺点则是内存的使用降低了

 标记-整理算法（mark-compact）：由于标记-复制算法存在内存使用率不高的问题，以及当有大量的对象都存活时候，复制算法和清除算法都有一些效率的问题，因此针对老年代的对象的死亡特征，提出来了标记-整理算法。标记整理算法的标记部分，和标记-清除算法一样，但是比标记之后不在进行清理，还是让所有存活的对象都向内存空间一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。这样的优点很明显，首先是内存空间不在存在碎片化的问题，其次是也没有浪费内存。但是也有缺点：就是整理时候的移动，这种对象移动的操作必须全程暂停用户的应用程序才行。也就是 stop-the-world. 基于标记整理和标记清除算法的优缺点，是否移动都会存在弊端：移动则内存回收更加复杂，不移动则存在空间碎片导致内存分配更加复杂，从垃圾回收的停顿时间来看，不移动对应垃圾回收的停顿时间更短，但是从整个程序的吞吐量来说，移动对象则更划算。

      基于以上几种垃圾回收的算法，出现了几个比较经典的垃圾收集器：从早期的Serial收集器，parNew/Parallel以及接下来的 cms/g1/，以及低延迟的 zgc/shenandoash收集器等。下面会介绍下每种收集器。

      Serial收集器：Serial收集器是历史最悠久，最基础的收集器。这个收集器是单线程收集器。新生代使用标记-复制算法，老年代使用标记-整理算法

      ParNew收集器：parNew收集器是Serial收集器的多线程版本，除了同时使用多条线程进行垃圾收集外，其他的 收集算法、stop the world、对象分配规则、回收策略等都和Serial收集器一样。

     Paralel Scavenge收集器： Paralel Scavenge也是一款新生代收集器，同样是基于标记=复制算法实现，也能并行收集的多线程收集器，和ParNew收集器很相似，但是它的目标是达到一个可控制吞吐量的收集器， 

           吞吐量 =  运行用户代码时间/（运营用户代码时间+垃圾回收收集时间）

     高吞吐量可以最高效率的利用服务器资源，尽快完成程序的运算任务。Paralel收集器会根据当前系统的允许情况，动态的调整以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量。这种方式称为垃圾收集的自适应的调整策略。 

      Serial Old 收集器：主要是Serial老年代版本，使用标记-整理算法

     Parallel old收集器：是Paralel Scavenge的老年代版本，基于标记-整理算法

   CMS收集器：cms 收集器是以最短回收停顿时间为目标的垃圾收集器。运作过程分为四个步骤：

       初始标记：

       并发标记

      重新标记： 

     并发清除：使用并发-清除算法，会存在空间碎片化导致空间不连续

    优点： 并发收集、低停顿、  缺点：由于在并发标记阶段，会占用一部分系统资源，导致总吞吐量降低，特别的处理器的核数比较低（低于4个）的时候。另外就是由于使用了标记-清除算法，会产生空间碎片导致空间不连续的问题。特别是在老年代时候，会出现明明有很大的内存空间，但是无法找到足够大的连续空间而触发一次full GC

    Garbage first(G1):g1收集器是面向局部收集以及基于Region的内存布局形式。R1把整个内存区域分为了多个Region，每个region 里面 有suvive/edon区域，以及专门存储大对象的Humongous区域，在做垃圾收集时候，他是通过回收不同的region区域来进行局部垃圾回收的，这种方式保证了G1收集器在有限时间获取尽可能高的收集效率。

       G1收集器也是分为四个步骤：

     初始标记：

     并发标记：

    最终标记：

   帅选标记： 

   g1整体上是采用标记-整理算法来实现的，但是局部的region上看又是基于标记-复制算法来的，相比cms来说，g1不会产生空间碎片且垃圾回收时间可控。但是相比cms也有一些缺点，比如G1为了垃圾收集产生的内存占用，以及程序运行时的额外负载，都要比cms要高。

   低延迟收集器：shenandoan ,基于Region布局，号称收集时间不超过10ms，但是目前尚未实现

                            ZGC:  基于标记-整理算法，开源给了OpenJDK，zgc出现在jdk11 上。

  垃圾回收的 可视化处理工具

  1.JDK自带的JCONSOLE以及使用dump 来分析，实际的工作上大部分是使用arthas 来分析。这个章节没有细看