JVM 内存模型-白红宇

JVM 内存模型

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发布时间：2019-05-27

本文共 4035 字，大约阅读时间需要 13 分钟。

1 JVM 内存模型

程序计数器（PC，Program Counter Register）：在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，并且任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。

Java 虚拟机栈：之前也叫做Java 栈，每个线程在创建的时候都会创建一个虚拟机栈，对应着Java 方法调用。

堆（Heap）：存放Java 对象实例。堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，通过 “ Xmx” 之类的参数来指定堆大小。

方法区：所有线程共享的一块内存区域，用于存储元数据，例如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。

运行时常量池：常量池可以存放各种常量信息，不管是编译期生成的各种字面量，还是需要在运行时决定的符号的引用。

2 OOM

谈到Java 内存模型，不可避免的要设计到 OutOfMemory （OOM）问题，那么在Java 里面存在哪种OOM 可能性，分别对应哪个内存区域的异常状况呢？

OOM通俗点说，就是JVM 内存不够用了。

public class OutOfMemoryError  extends VirtualMachineError

javadoc 中对的解释是：Thrown when the Java Virtual Machine cannot allocate an object because it is out of memory, and no more memory could be made available by the garbage collector 。当Java虚拟机无法分配对象时抛出，因为它内存不足，垃圾回收器无法再提供内存。

这里还隐藏着另外一个意思：在抛出OutOfMemoryError 之前，会触发垃圾回收收集器，尽可能去清理出空间。

OOM 常见原因，简单总结下：

堆内存不足是常见的OOM 原因。可能是堆内存泄漏；也可能堆大小不合适，比如要处理的数据量比较大，但是没有指定JVM 堆大小；或者JVM 处理引用不及时，导致堆积起来，内存无法释放等。

Java 栈也会导致OOM。比如我们写一个方法不停的递归调用，而不退出，就会导致不断的进行压栈，这时候会抛出 StackOverFlowError 错误，如果JVM 试图去扩展栈空间的时候失败，则会抛出 OutOfMemoryError。

3 堆内部的结构

从对象年代视角来看：

新生代：在Java应用中，绝大部分对象生命周期都很短暂，这些生命周期比较短暂的对象叫做新生代对象。其内部又分为 Eden 区域和两个Survivor 区域。Eden 区域是对象初始分配的区域；两个Survivor 区域，被用来防止从Minor GC 中保留下来的对象。

老年代：放置长生命周期的对象，通常都是从 Survivor 区域拷贝过来的对象。也有特殊情况，如果对象比较大，完全无法在新生代找到足够长的连续空闲的空间，JVM 就会直接分配到老年代。

永久代：JDK 8 之后就不存在永久代了。之前存放元数据、常量池等。

virtual：表示暂时不可用的空间内存。。因为在JVM 内部，肯定不会将堆的大小扩展到其上限。

JVM 参数：

-Xmx value	最大堆体积	默认情况下是堆内存的1/4
-Xms value	初始的最小堆体积	默认情况是堆内存的1/64
-XX:NewRatio=value	老年代和新生代的比例	默认数值是2，也就是老年代是新生代的2倍大，换句话说新生代是堆大小的1/3
-XX:NewSize=value	指定新生代内存大小数值	不用比例的方式调整新生代，直接指定具体的大小
-XX:SurvivorRatio=value	指定新生代内部区域Eden、 Survivor 区域的大小比例	默认是8，那么Survivor区域就是Eden 区域的1/8，也就是新生代一共10份，Eden占8/10，Survivor 占 1/10。因为有两个Survivor区域。 YoungGen=Eden + 2*Survivor

如何查看堆内和堆外的使用情况呢？

图形化工具： JConsole、VisualVM 等，对于Linux 系统可以 remote 连接。

命令行工具：Jstat 、Jmap、 Jmx

4 Java 常见的垃圾收集器

Serial GC：收集工作是单线程的，并且在进行垃圾收集过程中，会进入“stop-the-world” 状态。

ParNew GC：新生代GC，它实际上是Serial GC 的多线程版本，最常见的场景是配合老年代的 CMC GC 工作

CMS GC：基于标记-清除（Mark-Sweep）算法，设计目标是尽量减少停顿时间，这一点对于Web等反应敏感的应用非常重要。缺点是存在内存碎片化的问题，所以很难避免在长时间运行情况下发生 full GC，导致恶劣的停顿。另外，既然是并发，CMS 会占用更多的CPU 资源，并和用户线程争抢资源。在JDK 9中被标记为废弃deprecated。

Parallel GC：吞吐量优先的GC，其特点是新生代和老生代 GC 都是并行进行的，在常见的服务器环境中更加高效。Parallel GC 可以设置吞吐量等目标。

G1GC：这是一种兼顾吞吐量和停顿时间的GC实现，是 JDK9 以后默认的GC 选项。其内存结构并不是简单的条带式划分，而是类似棋盘的一个个 region，可以有效的避免内存碎片，尤其是当Java 堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

serial GC	-XX:+UseSerialGC
parNew GC	-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
parallel GC	-XX:+UseParallelGC	-XX:MaxGCPauseMillis=value -XX:GCTimeRatio=N // GC 时间和用户时间比例 = 1 / (N+1)
G1 GC	-XX:+DisableExplicitGC -XX:+UseG1GC

说明：client vm mode（win 32）一直是Seiral GC，servermode下，9以后改为了G1，以前是Parrallel Gc

4.1 垃圾收集的算法有哪些？如何判断一个对象是否可以回收？

GC 主要回收堆中的实例对象，通过可达性分析一个对象的引用是否存在，如果不存在，则对象会被回收。回收有一下几种算法：

复制算法（Copying）：新生代GC 都用到复制算法，将活着的对象（可能在eden，也可能在from-survivor）复制到to-survivor区域。代价是，既然要进行复制，就需要提前预留空间，有一定的浪费。对于G1这种region 块 GC，复制而不是移动，那么需要维护各个region 之间对象引用的关系，内存和时间的开销都比较大。

标记-清除（Mark-Sweep）算法：首先进行标记工作，标识出所有要回收的对象，然后进行清除。缺点是标记、清除的过程效率比较低，也不可避免的会出现内存碎片化问题，这就导致其不适合特别大的堆。否则，一旦full GC，暂时时间会比较长。

标记-整理（Mark-Compact）算法：类似于标记-清除，但为了避免内存碎片化，它会在清除过程中将对象移动，以确保移动后的对象占用连续的内存空间。

4.2 垃圾收集器工作的基本流程

新生代对象垃圾回收：

1、大部分对象创建都是在Eden的，除了个别大对象外。当其空间占用达到一定阈值时，会触发Minor GC

2、仍然被引用的对象存货下来，被复制到JVM 选择的survivor区域，这个区域这个时候叫做：from-survivor，并且对象年龄+1

3、第一次Minor GC 之后，Eden空闲下来了，再次触发 Minor GC的时候，另一个空闲的survivor区域则会成为 to-survivor，Eden的存活对象都copy到to-survivor中，from-survivor的存活对象也复制to-survivor中。其中所有对象的年龄+1

4、from-survivor清空，再下次Minor GC的时候，成为新的to-survivor，带有对象的to-survivor变成新的from-survivor。重复回到步骤3

以上步骤会发生多次，直到对象年龄计数达到一个阈值，超过阈值的对象会被晋升为老年代对象。这个阈值可以通过MaxTenuringThreshold 来指定。

-XX:MaxTenuringThreshold=<N>

然后对于老年代对象的GC 算法取决于不同的GC，算法主要有标记-整理、标记-清除。

以G1 垃圾收集来说，新生代对象采用的是Copying 复制算法，老年代对象采用的标记-整理算法。

老年代中的无用对象被清除后，GC 会将对象进行整理，以防止内存碎片化。通常我们把老年代的GC叫做 Major GC，将对整个堆进行的清理叫做 Full GC，包括young gen、old gen等。只要老年代的连续空间大于新生代所有对象的总大小或者历次晋升的平均大小时，会发生Minor GC，否则会进行Full GC。