JVM內存模型及垃圾收集策略解析

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JVM內存模型是Java的核心技術之一，以前51CTO曾爲你們介紹過JVM分代垃圾回收策略的基礎概念，如今不少編程語言都引入了相似Java JVM的內存模型和垃圾收集器的機制，下面咱們將主要針對Java中的JVM內存模型及垃圾收集的具體策略進行綜合的分析。

一 JVM內存模型

1.1 Java棧

Java棧是與每個線程關聯的，JVM在建立每個線程的時候，會分配必定的棧空間給線程。它主要用來存儲線程執行過程當中的局部變量，方法的返回值，以及方法調用上下文。棧空間隨着線程的終止而釋放。StackOverflowError：若是在線程執行的過程當中，棧空間不夠用，那麼JVM就會拋出此異常，這種狀況通常是死遞歸形成的。

1.2 堆

Java中堆是由全部的線程共享的一塊內存區域，堆用來保存各類JAVA對象，好比數組，線程對象等。

1.2.1 Generation

JVM堆通常又能夠分爲如下三部分：

◆ Perm

Perm代主要保存class,method,filed對象，這部門的空間通常不會溢出，除非一次性加載了不少的類，不過在涉及到熱部署的應用服務器的時候，有時候會遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的錯誤，形成這個錯誤的很大緣由就有多是每次都從新部署，可是從新部署後，類的class沒有被卸載掉，這樣就形成了大量的class對象保存在了perm中，這種狀況下，通常從新啓動應用服務器能夠解決問題。

◆ Tenured

Tenured區主要保存生命週期長的對象，通常是一些老的對象，當一些對象在Young複製轉移必定的次數之後，對象就會被轉移到Tenured區，通常若是系統中用了application級別的緩存，緩存中的對象每每會被轉移到這一區間。

◆ Young

Young區被劃分爲三部分，Eden區和兩個大小嚴格相同的Survivor區，其中Survivor區間中，某一時刻只有其中一個是被使用的，另一個留作垃圾收集時複製對象用，在Young區間變滿的時候，minor GC就會將存活的對象移到空閒的Survivor區間中，根據JVM的策略，在通過幾回垃圾收集後，任然存活於Survivor的對象將被移動到Tenured區間。

1.2.2 Sizing the Generations

JVM提供了相應的參數來對內存大小進行配置。正如上面描述，JVM中堆被分爲了3個大的區間，同時JVM也提供了一些選項對Young,Tenured的大小進行控制。

◆ Total Heap

-Xms ：指定了JVM初始啓動之後初始化內存

-Xmx：指定JVM堆得最大內存，在JVM啓動之後，會分配-Xmx參數指定大小的內存給JVM，可是不必定所有使用，JVM會根據-Xms參數來調節真正用於JVM的內存

-Xmx -Xms之差就是三個Virtual空間的大小

◆ Young Generation

-XX:NewRatio=8意味着tenured 和 young的比值8：1，這樣eden+2*survivor=1/9

堆內存

-XX:SurvivorRatio=32意味着eden和一個survivor的比值是32：1，這樣一個Survivor就佔Young區的1/34.

-Xmn 參數設置了年輕代的大小

◆ Perm Generation

-XX:PermSize=16M -XX:MaxPermSize=64M

Thread Stack

-XX:Xss=128K

1.3 堆棧分離的好處

呵呵，其它的先不說了，就來講說面向對象的設計吧，固然除了面向對象的設計帶來的維護性，複用性和擴展性方面的好處外，咱們看看面向對象如何巧妙的利用了堆棧分離。若是從JAVA內存模型的角度去理解面向對象的設計，咱們就會發現對象它完美的表示了堆和棧，對象的數據放在堆中，而咱們編寫的那些方法通常都是運行在棧中，所以面向對象的設計是一種很是完美的設計方式，它完美的統一了數據存儲和運行。

二 JAVA垃圾收集器

2.1 垃圾收集簡史

垃圾收集提供了內存管理的機制，使得應用程序不須要在關注內存如何釋放，內存用完後，垃圾收集會進行收集，這樣就減輕了由於人爲的管理內存而形成的錯誤，好比在C++語言裏，出現內存泄露時很常見的。Java語言是目前使用最多的依賴於垃圾收集器的語言，可是垃圾收集器策略從20世紀60年代就已經流行起來了，好比Smalltalk,Eiffel等編程語言也集成了垃圾收集器的機制。

2.2 常見的垃圾收集策略

全部的垃圾收集算法都面臨同一個問題，那就是找出應用程序不可到達的內存塊，將其釋放，這裏面得不可到達主要是指應用程序已經沒有內存塊的引用了，而在JAVA中，某個對象對應用程序是可到達的是指：這個對象被根（根主要是指類的靜態變量，或者活躍在全部線程棧的對象的引用）引用或者對象被另外一個可到達的對象引用。

2.2.1 Reference Counting(引用計數）
 
引用計數是最簡單直接的一種方式，這種方式在每個對象中增長一個引用的計數，這個計數表明當前程序有多少個引用引用了此對象，若是此對象的引用計數變爲0，那麼此對象就能夠做爲垃圾收集器的目標對象來收集。

優勢：

簡單，直接，不須要暫停整個應用

缺點：

1.須要編譯器的配合，編譯器要生成特殊的指令來進行引用計數的操做，好比每次將對象賦值給新的引用，或者者對象的引用超出了做用域等。

2.不能處理循環引用的問題

2.2.2 跟蹤收集器

跟蹤收集器首先要暫停整個應用程序，而後開始從根對象掃描整個堆，判斷掃描的對象是否有對象引用，這裏面有三個問題須要搞清楚：

1．若是每次掃描整個堆，那麼勢必讓GC的時間變長，從而影響了應用自己的執行。所以在JVM裏面採用了分代收集，在新生代收集的時候minor gc只須要掃描新生代，而不須要掃描老生代。

2．JVM採用了分代收集之後，minor gc只掃描新生代，可是minor gc怎麼判斷是否有老生代的對象引用了新生代的對象，JVM採用了卡片標記的策略，卡片標記將老生代分紅了一塊一塊的，劃分之後的每個塊就叫作一個卡片，JVM採用卡表維護了每個塊的狀態，當JAVA程序運行的時候，若是發現老生代對象引用或者釋放了新生代對象的引用，那麼就JVM就將卡表的狀態設置爲髒狀態，這樣每次minor gc的時候就會只掃描被標記爲髒狀態的卡片，而不須要掃描整個堆。具體以下圖：
3．GC在收集一個對象的時候會判斷是否有引用指向對象，在JAVA中的引用主要有四種：Strong reference,Soft reference,Weak reference,Phantom reference.

◆ Strong Reference

強引用是JAVA中默認採用的一種方式，咱們平時建立的引用都屬於強引用。若是一個對象沒有強引用，那麼對象就會被回收。

public void testStrongReference(){  Object referent = new Object();  Object strongReference = referent;  referent = null;  System.gc();  assertNotNull(strongReference);  }

◆ Soft Reference

軟引用的對象在GC的時候不會被回收，只有當內存不夠用的時候纔會真正的回收，所以軟引用適合緩存的場合，這樣使得緩存中的對象能夠儘可能的再內存中待長久一點。

Public void testSoftReference(){  String  str =  "test";  SoftReference<String> softreference = new SoftReference<String>(str);  str=null;  System.gc();  assertNotNull(softreference.get());  }

◆ Weak reference

弱引用有利於對象更快的被回收，假如一個對象沒有強引用只有弱引用，那麼在GC後，這個對象確定會被回收。

Public void testWeakReference(){  String  str =  "test";  WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<String>(str);  str=null;  System.gc();  assertNull(weakReference.get());  }

◆ Phantom reference

2.2.2.1 Mark-Sweep Collector(標記-清除收集器）

標記清除收集器最先由Lisp的發明人於1960年提出，標記清除收集器中止全部的工做，從根掃描每一個活躍的對象，而後標記掃描過的對象，標記完成之後，清除那些沒有被標記的對象。

優勢：

1 解決循環引用的問題

2 不須要編譯器的配合，從而就不執行額外的指令

缺點：

1．每一個活躍的對象都要進行掃描，收集暫停的時間比較長。

2.2.2.2 Copying Collector(複製收集器）複製收集器將內存分爲兩塊同樣大小空間，某一個時刻，只有一個空間處於活躍的狀態，當活躍的空間滿的時候，GC就會將活躍的對象複製到未使用的空間中去，原來不活躍的空間就變爲了活躍的空間。複製收集器具體過程能夠參考下圖：

優勢：

1 只掃描能夠到達的對象，不須要掃描全部的對象，從而減小了應用暫停的時間

缺點：

1．須要額外的空間消耗，某一個時刻，老是有一塊內存處於未使用狀態

2．複製對象須要必定的開銷

2.2.2.3 Mark-Compact Collector(標記-整理收集器）標記整理收集器汲取了標記清除和複製收集器的優勢，它分兩個階段執行，在第一個階段，首先掃描全部活躍的對象，並標記全部活躍的對象，第二個階段首先清除未標記的對象，而後將活躍的的對象複製到堆得底部。標記整理收集器的過程示意圖請參考下圖：Mark-compact策略極大的減小了內存碎片，而且不須要像Copy Collector同樣須要兩倍的空間。

2.3 JVM的垃圾收集策略
 
GC的執行時要耗費必定的CPU資源和時間的，所以在JDK1.2之後，JVM引入了分代收集的策略，其中對新生代採用"Mark-Compact"策略，而對老生代採用了「Mark-Sweep"的策略。其中新生代的垃圾收集器命名爲「minor gc」，老生代的GC命名爲"Full Gc 或者Major GC".其中用System.gc()強制執行的是Full Gc.

2.3.1 Serial Collector

Serial Collector是指任什麼時候刻都只有一個線程進行垃圾收集，這種策略有一個名字「stop the whole world",它須要中止整個應用的執行。這種類型的收集器適合於單CPU的機器。

Serial Copying Collector

此種GC用-XX:UseSerialGC選項配置，它只用於新生代對象的收集。1.5.0之後。-XX:MaxTenuringThreshold來設置對象複製的次數。當eden空間不夠的時候，GC會將eden的活躍對象和一個名叫From survivor空間中尚不夠資格放入Old代的對象複製到另一個名字叫To Survivor的空間。而此參數就是用來講明到底From survivor中的哪些對象不夠資格，假如這個參數設置爲31，那麼也就是說只有對象複製31次之後纔算是有資格的對象。這裏須要注意幾個個問題：

◆  From Survivor和To survivor的角色是不斷的變化的，同一時間只有一塊空間處於使用狀態，這個空間就叫作From Survivor區，當複製一次後角色就發生了變化。

◆  若是複製的過程當中發現To survivor空間已經滿了，那麼就直接複製到old generation.

◆  比較大的對象也會直接複製到Old generation,在開發中，咱們應該儘可能避免這種狀況的發生。

Serial  Mark-Compact Collector

串行的標記-整理收集器是JDK5 update6以前默認的老生代的垃圾收集器，此收集使得內存碎片最少化，可是它須要暫停的時間比較長。

2.3.2 Parallel Collector 

Parallel Collector主要是爲了應對多CPU，大數據量的環境。Parallel Collector又能夠分爲如下兩種：

Parallel Copying Collector

此種GC用-XX:UseParNewGC參數配置,它主要用於新生代的收集,此GC能夠配合CMS一塊兒使用。1.4.1之後Parallel Mark-Compact Collector，此種GC用-XX:UseParallelOldGC參數配置，此GC主要用於老生代對象的收集。1.6.0

Parallel scavenging Collector

此種GC用-XX:UseParallelGC參數配置，它是對新生代對象的垃圾收集器，可是它不能和CMS配合使用，它適合於比較大新生代的狀況，此收集器起始於jdk 1.4.0。它比較適合於對吞吐量高於暫停時間的場合，Serial gc和Parallel gc能夠用以下的圖來表示：

2.3.3 Concurrent Collector

Concurrent Collector經過並行的方式進行垃圾收集，這樣就減小了垃圾收集器收集一次的時間，這種GC在實時性要求高於吞吐量的時候比較有用。此種GC能夠用參數-XX:UseConcMarkSweepGC配置，此GC主要用於老生代和Perm代的收集。