[Java知识库]JVM专题全解

一、JVM简略图

JVM内部的详细结构图

1、程序计数器

一块较小的内存空间, 是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每条线程都要有一个独立的程序计数器，这类内存也称为“线程私有”的内存

2、Java虚拟机栈

描述了java方法执行时的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于 存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息 。每一个方法从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入栈到出栈的过程。，栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁

3、本地方法栈

本地方法栈和 Java虚拟机栈作用类似, 区别是Java虚拟机栈是为执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则是为Native 方法服务

4、堆

堆是被所有线程共享的一块内存区域，各个线程所创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中，它也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域。由于现代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区)和老年代。

5、方法区

二、GC的三个流程

1、什么时候进行垃圾回收？

2、如何判断哪些对象可以被回收？

• 引用计数法：引用通常是和对象是相关联的，通过引用而操作对象。因此，一个简单的办法是通过引用计数 来判断一个对象是否可以回收。一个对象如果没有任何与之关联的引用，即他们的引用计数都为 0，则说明该对象不太可能再被用到，那么这个对象就是可回收对象。
• 根搜索算法：以一系列"GC root"对象作为搜索的起点，如果某个对象和所有"GC root"对象之间都不存在一条可达路径，则称该对象是不可达的。不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象还要经过两次标记和筛选过程。第一次：判断对象是否有finalize方法或者执行过finalize，如果没有finalize方法或者已经执行过finalize方法，不需要进行第二次标记和筛选就可以回收，否则需要进行第二次标记和筛选。第二次：执行对象的finalize方法，执行完成或者执行过程中判断对象是否和GC Root是否有直接或者间接联系，如果依然没有联系则把对象放入回收列表等待回收，否则对象复活。哪些对象可以作为GC root对象：
  (1)虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
  (2)方法区中的类静态属性引用的对象
  (3)方法区中的常量引用的对象
  (4)本地方法栈中JNI引用的对象
  

3、如何进行回收？

3.1.分代收集

当前主流 VM 在进行垃圾收集时都会采用”分代收集”(Generational Collection)算法, 这种算法会根据对象存活周期的不同将内存划分为几块, 如 JVM 中的 新生代、老年代、永久代，这样就可以根据各年代特点分别采用最适当的 GC 算法

• 新生代GC（Minor GC）：采用复制算法进行垃圾回收。首先，把 Eden 和 Survivor From 区域中存活的对象复制到 Survivor To 区域(如果 To Space 无法足够存储某个对象，则将这个对象存储到老生代)，并把这些对象的年龄+1（如果某些对象的年龄已经达到了老年的标准15，则复制到老年代区），然后，清空 Eden 和 Servivor From 中的对象，最后，Servivor To 和 Servivor From 互换。
  
  1、复制算法：按内存容量将内存划分为等大小的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用的内存清掉。目前大部分 JVM 的 GC 对于新生代都采取 Copying 算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，即要复制的操作比较少，但通常并不是按照 1：1 来划分新生代。一般将新生代划分为一块较大的 Eden 空间和两个较小的 Survivor 空间(From Space, To Space)，每次使用Eden 空间和其中的一块 Survivor 空间，当进行回收时，将该两块空间中还存活的对象复制到另一块 Survivor 空间中。
  
• 老年代GC（Major GC）:
  1、 标记清除算法(Mark-Sweep)：分为两个阶段，标注和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象，清
  除阶段回收被标记的对象所占用的空间。
  

2、标记整理算法(Mark-Compact)：标记阶段和 Mark-Sweep 算法相同，标记后并不是着急清理对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象。

3.2.分区收集

分区算法则将整个堆空间划分为连续的不同小区间, 每个小区间独立使用, 独立回收. 这样做的好处是可以控制一次回收多少个小区间 , 根据最大允许停顿时间, 每次合理地回收若干个小区间(而不是整个堆), 从而减少一次 GC 所产生的停顿。

三、 Java中的四种引用

1、强引用

在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏(OOM)的主要原因之一。

2、软引用

软引用需要用 SoftReference 类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。

3、弱引用

弱引用需要用 WeakReference 类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。

4、虚引用

虚引用需要 PhantomReference 类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

四、垃圾收集器

1、Serial 垃圾收集器（单线程、复制算法）

Serial（英文连续）是最基本垃圾收集器，使用复制算法，曾经是JDK1.3.1 之前新生代唯一的垃圾收集器。Serial 是一个单线程的收集器，它不但只会使用一条线程去完成垃圾收集工作，并且在进行垃圾收集的同时，还会暂停其他所有的工作线程(STW)，直到垃圾收集结束。Serial 垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程，但是它简单高效，对于限定单个 CPU 环境来说，可以获得最高的单线程垃圾收集效率，因此 Serial垃圾收集器依然是 java 虚拟机运行在 Client 模式下默认的新生代垃圾收集器 。

2、ParNew 垃圾收集器（Serial+多线程）

ParNew 垃圾收集器其实是 Serial 收集器的多线程版本，也使用复制算法，除了使用多线程进行垃圾收集之外，其余的行为和 Serial 收集器完全一样，ParNew 垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也要暂停所有其他的工作线程(STW)。ParNew 收集器默认开启和 CPU 数目相同的线程数,ParNew垃圾收集器是很多 java虚拟机运行在 Server 模式下新生代的默认垃圾收集器。

3、Parallel Scavenge垃圾收集器（多线程复制算法、高效）

Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器，同样使用复制算法，也是一个多线程的垃圾收集器，它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量，高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 时间，尽快地完成程序的运算任务，主要适用于在后台运算而
不需要太多交互的任务。

4、Serial Old 垃圾收集器（单线程、标记整理算法 ）

Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本，它同样是个单线程的收集器，使用标记-整理算法，这个收集器也主要是java 虚拟机运行在 Client 模式下默认的年老代垃圾收集器。

5、Parallel Old 垃圾收集器（多线程、标记整理算法）

Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge的老年代版本，使用多线程的标记-整理算法，在 JDK1.6才开始提供。在 JDK1.6 之前，新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器，只能保证新生代的吞吐量优先，无法保证整体的吞吐量，Parallel Old 正是为了在老年代同样提供吞吐量优先的垃圾收集器，如果系统对吞吐量要求比较高，可以优先考虑新生代 Parallel Scavenge和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。

6、CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep、多线程、标记清除算法**）

Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一种老年代垃圾收集器，其最主要目标是获取最短的垃圾回收停顿时间，和其他老年代使用标记-整理算法不同，它使用多线程的标记-清除算法。CMS 工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂，整个过程分为以下 4 个阶段：

• 初始标记：标记一下 GC Roots 能直接关联的对象，速度很快，仍然需要暂停所有的工作线程
• 并发标记：由GC Roots直接关联的对象开始遍历整个对象图，标记所有可达对象，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，用户线程可以与垃圾收集线程一起并发运行
• 重新标记：为了修正在并发标记期间，因用户程序运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，仍然需要暂停所有的工作线程。该阶段的停顿时间通常会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记阶段的时间段
• 并发清除 ：清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以同时与用户线程同时并发的。由于耗时最长的并发标记和并发清除过程中，垃圾收集线程可以和用户现在一起并发工作，所以总体上来看CMS 收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行
  

7、G1垃圾收集器（**）

• 发展历程：在G1垃圾回收器出现之前的所有其它收集器，包括CMS在内，垃圾收集的目标要么是整个新生代（Minor GC）,要么就是整个老年代（Major GC)，在要么就是整个Java堆（Full GC）,而G1跳出了这个樊笼，它的回收集可以由堆内存中的任何部分组成，衡量标准不再是它属于哪个分代，而是哪块内存中存放的垃圾数量最多，回收收益最大，这就是G1收集器的Mixed GC模式
• G1特点：1、 G1仍是遵循分代理论设计的，但其堆内存的布局与其它收集器有明显的差异。2、 G1不在坚持固定大小以及固定数量的分代区域划分，而是把连续的Java堆划分为多个大小相等的独立区域，每一个区域都可以根据需要，扮演新生代的Eden空间、Survivor空间，或者老年代空间。收集器能够对扮演不同角色的region采用不同的策略进行处理，这样无论是对新创建的对象还是已经存活了一段时间、熬过多次收集的就对象都能取得良好的手机效果。3、 Region中还有一类特殊的Humongous区域，专门用来存储大对象。G1认为只要大小超过了一个Region容量一半的对象即可判定为大对象，对于超过了整个Region容量的超级大对象，将会被存放在N个连续的Humongous区域中，G1的大多数行为都把Humongous区域作为老年代的一部分看待。4、 虽然G1仍然保存着新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不在是固定的，他们都是一系列区域(不需要连续)的动态集合。G1收集器之所以能够建立可以测的时间停顿模型是因为他将Region作为单次回收的最小单元，每次收集到的内存空间都是Region大小的整数倍---->G1收集器会跟踪各个Region里面垃圾堆积的价值大小，价值即回收所获得的空间的大小以及回收所需要时间的经验值，然后再后台维护一个优先级列表，每次根据用户设计允许的收集停顿时间，优先处理回收价值收益最大的那些Region
  
• G1的垃圾回收大致可以划分为四个步骤：

1. 初始标记(Initial Marking)：仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，并且修改TAMS指针的值，让下一阶段用户线程并发运行时，能正确地在可用的Region中分配新对象。这个阶段需要停顿线程，但耗时很短，而且是借用进行Minor GC的时候同步完成的，所以G1收集器在这个阶段实际并没有额外的停顿
2. 并发标记( Concurrent Marking)：从GC Root开始对堆中对象进行可达性分析，递归扫描整个堆里的对象图，找出要回收的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行。当对象图扫描完成以后，并发时有引用变动的对象会产生漏标问题，G1中会使用SATB(snapshot-at-the-beginning)算法来解决，后面会详细介绍
3. 最终标记(Final Marking)：对用户线程做一个短暂的暂停，用于处理并发标记阶段仍遗留下来的最后那少量的SATB记录(漏标对象)
4. 筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)：负责更新Region的统计数据，对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的停顿时间来制定回收计划，可以自由选择任意多个Region构成回收集，然后把决定回收的那一部分Region的存活对象复制到空的Region中，再清理掉整个旧Region的全部空间。这里的操作涉及存活对象的移动，是必须暂停用户线程，由多个收集器线程并行完成的。
5. 补充：G1为每个Region设计了两个名为TAMS(Top at Mark Start)的指针，把Region中的一部分空间划出来用于并发回收过程中的新对象分配，并发回收时新分配的对象地址都必须在这两个指针位置以上。G1默认在这个地址以上的对象是被隐式标记过的，即默认它们是存活的，不纳入回收范围
   

8、垃圾收集器的搭配使用

五、类加载机制